JP6461314B2 - Sensor and system for measuring concentration - Google Patents

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Description

本発明は、流体分析に適用される固体光源を用いた光学センサに関する。   The present invention relates to an optical sensor using a solid light source applied to fluid analysis.

環境、衛生および産業に適用されることを含むような技術分野において、流体中の分子またはイオンのような粒子種の濃度を測定可能にすることは重要である。したがって、流体中の化学的な分子およびイオンのような粒子種の濃度測定に使用することができる、信頼性があり、低コストであり、かつ、長寿命のセンサの技術に対して大きな需要がある。   In technical fields, including those applied to the environment, hygiene and industry, it is important to be able to measure the concentration of particle species such as molecules or ions in a fluid. Therefore, there is a great demand for reliable, low-cost, long-life sensor technology that can be used to measure the concentration of chemical species such as chemical molecules and ions in a fluid. is there.

例えば、飲料水および廃水における硝酸イオン(NO3 -)の濃度を測定するためのセンサは、非常に大きな需要がある。硝酸イオンはヒトおよび動物に有害であると疑われており、飲用に適した水において見出される硝酸イオンの濃度には制限が設けられている。例えば、アメリカにおいては、窒素(NO3 --N)濃度のような硝酸イオンの濃度制限は10mg/litre(リットル)であり、欧州においては硝酸イオン(NO3 -)の濃度制限は50mg/litreである。飲用水における硝酸イオンの濃度がこれらの制限よりも低いことを確認できるようにすることは重要である。貯水池の水、川の水、および地下水が、農業に使用された肥料に由来する硝酸イオンによって汚染されている可能性がある場合には、特に重要である。環境に排出される高濃度の硝酸イオンを有する廃水は、水中の酸素枯渇(低酸素)を生じさせ、水の華のような富栄養化の原因となる可能性があり、生態系に対し負の影響を及ぼす。水の循環系に放出される水には、硝酸イオンの最高濃度に制限が設けられている。そのため、この水を分析するための有効な硝酸イオンセンサの技術に対する需要は大きい。 For example, sensors for measuring the concentration of nitrate ions (NO 3 ) in drinking water and wastewater are in great demand. Nitrate ions are suspected to be harmful to humans and animals, and there are limits on the concentration of nitrate ions found in water suitable for drinking. For example, in the United States, nitrogen (NO 3 - -N) concentration of nitrate ions, such as concentration limit is 10 mg / liter (l), the nitrate ion in Europe (NO 3 -) concentration limit of 50 mg / liter It is. It is important to be able to confirm that the concentration of nitrate ions in the drinking water is below these limits. This is especially important when reservoir water, river water, and groundwater can be contaminated by nitrate ions from fertilizers used in agriculture. Wastewater with a high concentration of nitrate ions discharged into the environment can cause oxygen depletion (hypoxia) in the water, which can cause eutrophication such as water bloom and is negative for ecosystems. Influence. There is a limit on the maximum concentration of nitrate ions in the water released to the water circulation. Therefore, there is a great demand for effective nitrate ion sensor technology for analyzing water.

イオンセンシングに着目する成長分野は、水産養殖および水栽培の食品産業である。水産養殖において、アンモニウムイオン、亜硝酸イオンまたは硝酸イオンの濃度が過剰の場合、魚の成長に不都合な影響を及ぼし、収穫を減少させる。水栽培において、供給原料に蓄えられ、作物に供給されるイオンの濃度、特に、硝酸イオン、リン酸イオン、およびカリウムイオンの濃度は、収穫量を最大にするために、最適なレベルに維持されなければならない。これらの両産業において現在普及している方法は、イオン濃度を測定するために水のサンプルを試験所に送付し、分析することである。これは、実施される分析および返信される結果を待つ、モニタリングすることを継続的にできないことを意味する、および、目標値に対するイオン濃度の即時の調整が常には可能ではない、ということを必然的に伴う。   Growth areas that focus on ion sensing are the aquaculture and hydroponics food industries. In aquaculture, excessive concentrations of ammonium, nitrite or nitrate can adversely affect fish growth and reduce harvest. In hydroponics, the concentration of ions stored in feedstock and supplied to crops, in particular nitrate, phosphate and potassium ions, must be maintained at an optimal level to maximize yield. I must. A currently popular method in both of these industries is to send a sample of water to a laboratory for analysis in order to determine the ion concentration. This means waiting for the analysis to be performed and the results returned, not being able to continue to monitor, and that an immediate adjustment of the ion concentration to the target value is not always possible. Accompanying.

先行技術において、イオンの継続的なモニタリングの必要性を満たす技術が知られている。この技術には、イオン選択性電極法(ISEs)、および光学センサが含まれる。硝酸イオンのセンシングの場合、光学的な取り組みが好ましい。なぜなら、イオン選択性電極法は、偏流を受けるために頻繁な再較正を必要とし、寿命も比較的に短いためである。   In the prior art, techniques are known that meet the need for continuous ion monitoring. This technology includes ion selective electrode methods (ISEs) and optical sensors. In the case of nitrate ion sensing, an optical approach is preferred. This is because the ion-selective electrode method requires frequent recalibration in order to receive drift and has a relatively short lifetime.

現行の光学的な硝酸イオンのセンサは、硝酸イオンによる紫外線の直接的な吸光によるものであり、その光は、概ね240nmより小さい中心波長を有するものである。そして、硝酸イオンの濃度は、サンプルを介して透過した光を測定することにより算出することができる。また、ランベルト・ベールの法則(A= ε・c・L)は公知である。ここで、Aは次式で与えられる吸光度である。   Current optical nitrate ion sensors rely on direct absorption of ultraviolet light by nitrate ions, the light having a center wavelength of generally less than 240 nm. The concentration of nitrate ions can be calculated by measuring the light transmitted through the sample. Also, Lambert-Beer's law (A = ε · c · L) is known. Here, A is the absorbance given by the following equation.

εは硝酸イオンのモル吸光係数であり、cは硝酸イオンの濃度であり、Lはサンプルの経路長である。硝酸イオンのモル吸光係数のスペクトルは先行技術において既知であり、図1に表示されている。波長がおよそ240nmよりも大きい場合、吸光はとても小さく、波長が240nmより減少すると吸光は急に増加する。硝酸イオンによって強く吸光される光の波長(すなわち、およそ240nmよりも小さい波長)を生じさせるために、先行技術では、光学的硝酸イオンセンサにおいて、キセノンランプまたは重水素ランプが概して使用されている。キセノンランプおよび重水素ランプは、両方とも、240nmより小さい紫外線の放射を含む広帯域で放射(すなわち、放射範囲には、波長の範囲が含まれている)する。また、206nmにて放射するヨウ化水銀ランプのような、他のランプも提案されている。 ε is the molar extinction coefficient of nitrate ions, c is the concentration of nitrate ions, and L is the path length of the sample. The spectrum of the molar extinction coefficient of nitrate ions is known in the prior art and is displayed in FIG. When the wavelength is greater than approximately 240 nm, the absorbance is very small, and when the wavelength decreases below 240 nm, the absorbance increases rapidly. In order to generate a wavelength of light that is strongly absorbed by nitrate ions (ie, wavelengths less than approximately 240 nm), xenon lamps or deuterium lamps are commonly used in optical nitrate ion sensors in the prior art. Both xenon lamps and deuterium lamps emit in a broad band that includes ultraviolet radiation less than 240 nm (ie, the radiation range includes a range of wavelengths). Other lamps have also been proposed, such as mercury iodide lamps that emit at 206 nm.

紫外線の吸光を用いた硝酸イオン濃度の測定の精度を改良するための先行技術においては多くの特徴が開示されている。例えば、ランベルト・ベールの法則の式における「初めの光強度」の適切な値を定めるための光源の強さを決定するために基準測定が用いられ得る。この測定を行うための方法には、基準チャネルを生成するようにビームを分離すること(例えば、DE4407332C2)、ビームの一部が検体を通過しないようにビームを拡げ、測定経路または基準経路のどちらも遮断するための可動のビームブロックを組み合せること(例えば、AT408488B)、または、基準物質をビームの経路に挿入および除去すること(例えば、US3853407A、WO03067228A1)が含まれる。   Many features are disclosed in the prior art for improving the accuracy of the measurement of nitrate ion concentration using absorption of ultraviolet light. For example, a reference measurement can be used to determine the intensity of the light source to determine an appropriate value of “initial light intensity” in the Lambert-Beer law equation. Methods for making this measurement include separating the beam to create a reference channel (eg DE4407332C2), expanding the beam so that part of the beam does not pass through the specimen, and either the measurement path or the reference path Can be combined (eg, AT408488B) or reference material can be inserted and removed from the beam path (eg, US3853407A, WO03067228A1).

複数の波長における硝酸イオンによる吸光の測定についても、先行技術に開示されている。例えば、波長における吸光の信頼度を決定するために、2つ以上の紫外線の波長を利用することが、DE3324606C2およびJP4109596B2に記載されている。   Measurement of absorbance by nitrate ions at a plurality of wavelengths is also disclosed in the prior art. For example, DE3324606C2 and JP4109596B2 describe the use of two or more UV wavelengths to determine the reliability of absorbance at wavelengths.

流体中の硝酸イオンの濃度が、200nmから240nmの範囲の波長を有する光の吸光から決定された場合、当該流体中の他の成分が、(硝酸イオンに加えて、)未知の量により同じ光を吸収したとすると、その測定結果は正確ではなくなる可能性がある。異なる波長における第2の吸光測定を使用することによって、この不正確さを軽減し得る。第1の例として、GB2269895B, JP3335776B2およびDE10228929A1を含む特許文献は、有機物の分子によって生じる吸光を補正するために、250nmから300nmの範囲の波長における吸光の測定を用いることを開示している。第2の例として、DE19902396C2, JP4109596B2およびJP3335776B2の特許文献に、浮遊している粒子によって生じる光散乱の計算の方法が詳述されている。これらの文献では、830nmにおける透過、633nmにおける透過、および光散乱の直接測定のそれぞれが用いられている。   When the concentration of nitrate ions in a fluid is determined from the absorption of light having a wavelength in the range of 200 nm to 240 nm, the other components in the fluid may have the same light due to unknown amounts (in addition to nitrate ions). The measurement results may not be accurate. By using a second absorbance measurement at a different wavelength, this inaccuracy can be mitigated. As a first example, patent documents including GB2269895B, JP3335776B2 and DE10228929A1 disclose the use of absorbance measurements at wavelengths in the range of 250 nm to 300 nm to correct the absorbance caused by organic molecules. As a second example, DE19902396C2, JP4109596B2 and JP3335776B2 patent documents detail a method of calculating light scattering caused by floating particles. In these documents, transmission at 830 nm, transmission at 633 nm, and direct measurement of light scattering are used, respectively.

特許文献DE19902396C2およびAT408488Bに、正確性を改善するための2つの異なる経路長を用いる硝酸イオンの濃度測定について記載されている。また、GB2269895Bに、可変の測定経路長の使用について記載されている。これは、特定の硝酸イオンの濃度に対する好ましい吸光度を得るために使うことができる。それゆえ、センサの測定可能な濃度の範囲を広げることができる。加えて、特許文献JP2000206039Aには、高濃度の硝酸イオンが存在する場合、吸光の測定には、より長い波長が使用されるべきであることが示されている。   Patent documents DE19902396C2 and AT408488B describe nitrate ion concentration measurement using two different path lengths to improve accuracy. GB2269895B describes the use of variable measurement path lengths. This can be used to obtain a preferred absorbance for a specific nitrate ion concentration. Therefore, the measurable concentration range of the sensor can be expanded. In addition, the patent document JP2000206039A shows that longer wavelengths should be used for absorbance measurements when high concentrations of nitrate ions are present.

先行技術に、硝酸イオンセンサのための2つの異なる検出器の構成が記載されている。第1の構成は以下の通りである(例えば、DE3324606C2)。UVランプ(例えば、キセノンランプまたは重水素ランプ)からの広帯域の光が検体の水を介して伝播する。当該水を介して伝播した光は、その後、中心波長周辺の波長の範囲を有する光を透過する帯域フィルタを用いてフィルタ処理される。そして、フィルタを伝播した光は、その後、光検出器を用いて検出される。好適な深紫外線波長(200nmから240nm)に対する帯域フィルタは、比較的、性能が乏しく、高価である。例えば、通過帯域である半値全幅(FWHM)が10nmの市販の利用可能なフィルタは、最大転送量が20%未満である。さらなる短所は、同じ波長において機能する基準チャネルおよび測定チャネルが使用される点で、適合した複数のフィルタが必要となり得ることである。第2の構成は以下の通りである(例えば、AT408488B)。UVランプからの広帯域の光は、検体の水を介して伝播する。当該水を伝播した光は、その後、透過光(すなわち、波長の機能としての光の強度)のスペクトルを測定する光検出器を用いて検出される。この第2の構成は、高精度の硝酸イオンの濃度測定を可能とするが、光検出器の構成はコストがかかる。   The prior art describes two different detector configurations for nitrate ion sensors. The first configuration is as follows (for example, DE3324606C2). Broadband light from a UV lamp (eg, a xenon lamp or deuterium lamp) propagates through the analyte water. The light propagated through the water is then filtered using a bandpass filter that transmits light having a wavelength range around the center wavelength. The light propagated through the filter is then detected using a photodetector. Bandpass filters for suitable deep ultraviolet wavelengths (200 nm to 240 nm) are relatively poor in performance and expensive. For example, a commercially available filter having a passband of full width at half maximum (FWHM) of 10 nm has a maximum transfer amount of less than 20%. A further disadvantage is that multiple matched filters may be required in that reference and measurement channels that function at the same wavelength are used. The second configuration is as follows (for example, AT408488B). Broadband light from the UV lamp propagates through the specimen water. The light propagating through the water is then detected using a photodetector that measures the spectrum of transmitted light (ie, light intensity as a function of wavelength). This second configuration enables highly accurate nitrate ion concentration measurement, but the configuration of the photodetector is costly.

先行技術には、浸水センサおよびインラインセンサのどちらの硝酸イオンセンサも含まれている。浸水センサは、測定対象である検体となる水にセンサの一部または全てを浸すことによって、センサに当該水を供給するものである。インラインセンサは、検体となる水が当該センサに継続的に供給されるものであり、当該水は流入口と流出口との間を流れているときに測定される。   The prior art includes nitrate sensor, both an immersion sensor and an in-line sensor. The water immersion sensor supplies water to the sensor by immersing a part or all of the sensor in water that is a specimen to be measured. The in-line sensor is such that water as a specimen is continuously supplied to the sensor, and the water is measured when flowing between the inlet and the outlet.

先行技術には、キセノンランプおよび重水素ランプ以外の光源を用いる他の分野(硝酸イオンをセンシングするため以外のもの)における光学センサのための装置が含まれる。特許出願DE102011081317A1は、インラインセンサに用いられる代替光源を開示している。1つ以上の固体紫外線光源がハウジング内に保持され、240nmから400nmの範囲の波長で放射し、10nmから20nmの範囲のFWHMを有する。測定値を得るために、複数の光源を、順番にパルシングすることによって駆動させる方法が含まれている。   The prior art includes devices for optical sensors in other fields (other than for sensing nitrate ions) that use light sources other than xenon and deuterium lamps. Patent application DE102011081317A1 discloses an alternative light source for use in an in-line sensor. One or more solid ultraviolet light sources are held in the housing, emit at a wavelength in the range of 240 nm to 400 nm, and have a FWHM in the range of 10 nm to 20 nm. In order to obtain measurement values, a method of driving a plurality of light sources by sequentially pulsing them is included.

センサへ適用する固体光源を使用する他の例としては、特許出願US20130015362A1がある。当該特許では、細菌のような粒子の存在を検出するセンサの光源として周波数2倍化レーザの使用を開示している。DE102011081317A1およびUS20130015362A1のどちらも、水中における硝酸イオンの濃度の測定に適した装置を提供するものではない。固定光源を用いる光学的な硝酸イオンのセンサは先行技術に見出すことができない。   Another example of using a solid state light source applied to a sensor is patent application US20130015362A1. The patent discloses the use of a frequency doubled laser as a light source for a sensor that detects the presence of particles such as bacteria. Neither DE102011081317A1 nor US20130015362A1 provide a device suitable for measuring the concentration of nitrate ions in water. An optical nitrate ion sensor using a fixed light source cannot be found in the prior art.

DE4407332C2DE4407332C2 AT408488BAT408488B US3853407AUS3853407A WO03067228A1WO03067228A1 DE3324606C2DE3324606C2 JP4109596B2JP4109596B2 GB2269895BGB2269895B JP3335776B2JP3335776B2 DE10228929A1DE10228929A1 DE19902396C2DE19902396C2 GB2269895BGB2269895B JP2000206039AJP2000206039A DE102011081317A1DE102011081317A1 US20130015362A1US20130015362A1

本開示の一態様によれば、流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子の濃度を測定するためのセンサは、入射光の強度を測定する第1の光検出装置と、固体発光装置を含む第1の光源とを備え、上記第1の光源は、上記流体に入射する、240nm(ナノメートル)未満の波長を有する光放射し、上記第1の光検出装置は上記流体を通過した光を受光する。   According to one aspect of the present disclosure, a sensor for measuring the concentration of one or more types of ions, molecules, or atoms in a fluid includes a first photodetector that measures the intensity of incident light, and solid-state light emission. A first light source comprising a device, wherein the first light source emits light having a wavelength less than 240 nm (nanometers) incident on the fluid, and the first light detection device passes through the fluid Receive the received light.

前述および関連する目的を完遂するために、本発明は、以下に十分に記載された特徴および特に請求項において示される特徴を含む。以下の記載および添付の図面は、本発明に係る特定の詳細な例示的な実施形態を示す。これらの実施形態は例示であり、本発明の原理における多様な用途のうちの一部が適用されてもよい。本発明の他の対象、利点および新規の特徴は、以下の詳細な本発明の記載を図面と共に考慮することにより明白となる。   To accomplish the foregoing and related objectives, the invention includes the features fully described below and particularly those set forth in the claims. The following description and the annexed drawings set forth in detail certain illustrative embodiments according to the invention. These embodiments are exemplary, and some of the various uses in the principles of the present invention may be applied. Other objects, advantages and novel features of the invention will become apparent from the following detailed description of the invention when considered in conjunction with the drawings.

先行技術における光学的な硝酸イオンセンサは、短所がいくつかある。例えば、ガス錯体で満たされている重水素ランプまたはキセノンランプを用いるため、硝酸イオンセンサは、高いコストで、大きな容量(≧2,000cm3)を占め、高電圧(≧400V)の駆動電子回路を必要とし、消費電力が高く(正確な出典および使用された構成によれば、2Wと7.5Wとの間)、測定が行われる前に暖機時間を必要とし、効率が悪く高コストの帯域フィルタを必ず備えることとなる。これらの短所は、硝酸イオンセンシングを幅広く展開するときに、重大な障壁となる。 Prior art optical nitrate ion sensors have several disadvantages. For example, using a deuterium lamp or a xenon lamp filled with a gas complex, the nitrate ion sensor occupies a large capacity (≧ 2,000 cm 3 ) at a high cost, and has a high voltage (≧ 400 V) driving electronic circuit. Requires, high power consumption (between 2W and 7.5W, according to exact source and configuration used), requires warm-up time before measurements are taken, inefficient and costly bandpass filter Will be provided. These disadvantages become a significant barrier when deploying nitrate ion sensing widely.

水中の硝酸イオンの濃度を測定するための、新しく、低コストであるセンサ技術に対して長年にわたる需要がある。本発明よりも前の少なくとも15年間、この分野において顕著な進展はなかった。本発明に係る装置によってこの需要は満たされる。これにより、安全ではない飲用水(例えば、地下水)を、使用時に特定するということを含む、より幅広い用途において、硝酸イオンセンシングの実際の使用を可能にし、環境の測定を幅を広げ、水産養殖および水栽培における食品の生産性および廃液処理を改善する。   There is a longstanding demand for new, low cost sensor technology for measuring the concentration of nitrate ions in water. There has been no significant progress in this field for at least 15 years prior to the present invention. This demand is met by the device according to the invention. This allows for practical use of nitrate sensing in a wider range of applications, including identifying unsafe drinking water (eg, groundwater) at the time of use, broadening environmental measurements, and aquaculture And improve food productivity and waste liquid treatment in hydroponics.

本発明に係る装置は、先行技術における1つ以上の短所を克服し、流体中のイオン、分子、または原子の濃度を測定できる。本発明に係る装置は、光源としての固体発光部材(例えば、発光ダイオード(LED)またはレーザダイオード(LD)の形態における固体発光装置)を含み、流体中のイオン、分子、または原子の濃度を測定するために240nmより小さい波長の光の透過率の測定結果を用いる。当該装置は、水中の硝酸イオン濃度の測定に使用されてもよい。   The apparatus according to the present invention overcomes one or more disadvantages of the prior art and can measure the concentration of ions, molecules or atoms in a fluid. The apparatus according to the present invention includes a solid light emitting member as a light source (for example, a solid light emitting device in the form of a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD)) and measures the concentration of ions, molecules, or atoms in a fluid. Therefore, the measurement result of the transmittance of light having a wavelength smaller than 240 nm is used. The apparatus may be used for measuring nitrate ion concentration in water.

駆動中、光源から放射された強度P1の光は検体に入射し、光検出手段により透過光の強度P2が測定される。光の透過率P2/P1から、イオン、分子または、原子(以降、「対象物」とよぶ)による光の吸光度が測定可能となり、対象物の濃度は、ランベルト・ベールの法則を用いて決定され得る。任意ではあるが、強度P1は第2光検出手段により測定されてもよい。 During driving, the light of intensity P 1 emitted from the light source enters the specimen, and the intensity P 2 of the transmitted light is measured by the light detection means. From the light transmittance P 2 / P 1 , it is possible to measure the absorbance of light by ions, molecules, or atoms (hereinafter referred to as “object”), and the concentration of the object is determined using the Lambert-Beer law. Can be determined. Optionally, the intensity P 1 may be measured by the second light detection means.

水中の硝酸イオンの濃度を測定するための、新しく、低コストであるセンサ技術に対して長年にわたる需要がある。本発明よりも前の少なくとも15年間、この分野において顕著な進展はなかった。本発明に係る装置によってこの需要は満たされる。すなわち、使用時における安全ではない飲用水(例えば、井戸から引き上げた水に対する)の特定を含むさらに広い領域の適用における、硝酸イオンセンシングの実際の使用を可能にし、環境の測定を広げ、水産養殖および水栽培における食品の生産性および廃液処理を改善する。   There is a longstanding demand for new, low cost sensor technology for measuring the concentration of nitrate ions in water. There has been no significant progress in this field for at least 15 years prior to the present invention. This demand is met by the device according to the invention. That is, it allows practical use of nitrate ion sensing in wider areas, including the identification of unsafe drinking water (eg, for water drawn from a well) in use, broadens environmental measurements, and aquaculture And improve food productivity and waste liquid treatment in hydroponics.

センサシステムの他の光学的な損失を計算することによって、対象物の吸光度をより正確に測定することができる。   By calculating other optical losses of the sensor system, the absorbance of the object can be measured more accurately.

本発明の一態様によれば、濃度の計算の信頼性を改善するために、光源から放射された光の波長は、光源の動作条件が変化しても安定している。本発明のこの態様は、光源から放射された光の波長の小さなシフトにより、対象物の吸光係数が顕著に変わる場合、例えば、水中の硝酸イオンに対する205nmと240nmとの間のシフトの場合において、特に有効である。この問題は、固体発光素子が、動作条件(例えば、温度、駆動電流/電圧)に依存して、放射する光の中心波長を変化させるために生じる。先行技術における硝酸センサは、広帯域ランプおよび帯域フィルタを使用するため、吸光度の測定に用いる光の波長の変化による影響を受けない。しかし、この不正確性は、固体素子を含む光源より放射された240nmより小さい波長を有する光の吸光を使用する硝酸イオンセンサに対して重大な問題に成り得る。この光源の誤差は、吸光を測定するための240nmから400nmの範囲における波長を用いた固体紫外線光源の使用が開示されている先行技術(例えば、DE102011081317A1)には見出すことができない。   According to one aspect of the present invention, the wavelength of light emitted from a light source is stable even when operating conditions of the light source are changed in order to improve the reliability of concentration calculation. This aspect of the present invention can be used when the absorption coefficient of the object changes significantly due to a small shift in the wavelength of light emitted from the light source, for example, in the case of a shift between 205 nm and 240 nm for nitrate ions in water. It is particularly effective. This problem occurs because the solid state light emitting device changes the center wavelength of the emitted light depending on the operating conditions (eg, temperature, drive current / voltage). Since the nitric acid sensor in the prior art uses a broadband lamp and a band filter, it is not affected by a change in the wavelength of light used to measure absorbance. However, this inaccuracy can be a serious problem for nitrate ion sensors that use the absorption of light having a wavelength of less than 240 nm emitted by a light source that includes a solid state device. This error in the light source cannot be found in prior art (eg DE102011081317A1) that discloses the use of solid ultraviolet light sources with wavelengths in the range of 240 nm to 400 nm for measuring absorbance.

本発明の一態様においては、センサ装置の正確性を改善するために、光源から放射された光の中心波長が直接的または間接的方法によって測定される。このことは、適切な吸光係数ε(λ)が決定され、濃度計算に用いられることにより、光源の波長の変化による誤差の影響を減らすことを示す。   In one aspect of the invention, the central wavelength of light emitted from the light source is measured by a direct or indirect method to improve the accuracy of the sensor device. This indicates that an appropriate extinction coefficient ε (λ) is determined and used for concentration calculation, thereby reducing the influence of errors due to changes in the wavelength of the light source.

本発明の一態様においては、光源から放射された光のスペクトルの帯域幅は狭い。これにより、製造および較正が容易で、信頼性の高いセンサ装置を提供できる。光源から放射された光の波長が異なるときに対象物の吸光係数が変化する場合、対象物の濃度に対する吸光度に望ましくない非線形な依存性が生じる。これは、特に、水中の硝酸イオンの濃度を測定するためのセンサ装置に生じる問題である。光のスペクトルの帯域幅が2nmよりも小さくならない限り、硝酸イオンの濃度に対する吸光度の依存性は高非線形となる。実際、対象物の濃度に対する吸光度の線形依存性は、大きな利点である。なぜなら、検体において着目するイオン、分子、または原子の濃度を算出するために、非線形を補正する要素を使用する必要がないためである。それゆえ、センサの較正工程を簡易化するとともに、幅広い濃度範囲において精度を高めることができる。   In one embodiment of the present invention, the spectral bandwidth of light emitted from the light source is narrow. This makes it possible to provide a highly reliable sensor device that is easy to manufacture and calibrate. If the extinction coefficient of the object changes when the wavelengths of light emitted from the light source are different, an undesirable non-linear dependence of the absorbance on the concentration of the object occurs. This is a problem that arises in particular in sensor devices for measuring the concentration of nitrate ions in water. As long as the bandwidth of the light spectrum is not smaller than 2 nm, the dependence of the absorbance on the concentration of nitrate ions is highly nonlinear. In fact, the linear dependence of absorbance on the concentration of the object is a great advantage. This is because it is not necessary to use an element for correcting non-linearity in order to calculate the concentration of ions, molecules, or atoms of interest in the specimen. Therefore, the sensor calibration process can be simplified and the accuracy can be increased in a wide concentration range.

本発明の他の態様に係る装置は、固体発光素子および一つ以上の周波数変換素子を含む光源を使用する。周波数変換素子は、例えば、第二高調波発生プロセスによって、固体発光素子から放射された光の周波数を変換する。この装置は、周波数変換が、固体発光素子から放射されたものより短い波長の光を生じさせる場合、特に利点がある。この場合、動作条件の変化によって生じる光源から放射される中心波長のシフトの程度は、固体発光素子の中心波長のシフトより小さい。周波数変換素子を、特定の範囲の波長の光を優先的に周波数変換する構成とした場合、光源から放射された中心波長のシフトの程度はさらに減少し得る。光源に周波数変換素子を含めることにより、本発明に係る装置の信頼性を改善することができる。周波数変換された光源を使用することによる利点は、これまで、先行技術において認められておらず、水中の硝酸イオンの濃度を測定するセンサ装置に用いる場合に特に有効である。   An apparatus according to another aspect of the invention uses a light source that includes a solid state light emitting element and one or more frequency conversion elements. The frequency conversion element converts the frequency of light emitted from the solid state light emitting element by, for example, a second harmonic generation process. This device is particularly advantageous when the frequency conversion produces light of a shorter wavelength than that emitted from the solid state light emitting device. In this case, the degree of shift of the center wavelength emitted from the light source caused by the change in the operating condition is smaller than the shift of the center wavelength of the solid state light emitting device. When the frequency conversion element is configured to preferentially frequency convert light in a specific range of wavelengths, the degree of shift of the center wavelength emitted from the light source can be further reduced. By including a frequency conversion element in the light source, the reliability of the device according to the present invention can be improved. The advantages of using a frequency converted light source have not been previously recognized in the prior art and are particularly effective when used in sensor devices that measure the concentration of nitrate ions in water.

本発明のさらなる態様では、一つ以上の補助的な光源、あるいは第2の光源を任意でセンサ装置に備え、これらを用いて、システムおよび検体を通る一つ以上の異なる波長を有する光の透過率を測定してもよい。一つ以上の補助的波長を有する光の透過率を用いて、第1の光源から放射された光の透過率に影響するかもしれない検体またはシステムの性質を決定してもよい。これにより、検出された対象物による吸光度の値をより正確とすることができ、よって、得られる対象物の濃度をより正確な値とすることができる。   In a further aspect of the invention, one or more auxiliary light sources or second light sources are optionally provided in the sensor device, which are used to transmit light having one or more different wavelengths through the system and the analyte. The rate may be measured. The transmittance of light having one or more auxiliary wavelengths may be used to determine the nature of the analyte or system that may affect the transmittance of light emitted from the first light source. Thereby, the value of the absorbance by the detected object can be made more accurate, and thus the concentration of the obtained object can be made more accurate.

本発明の諸態様に係るセンサ装置のような装置は、従来技術に記載されたセンサ技術、とりわけ、水中の硝酸イオン濃度を測定するセンサ向けのセンサ技術に対して大きな利点を提供するものである。   Devices such as sensor devices according to aspects of the present invention provide significant advantages over the sensor technology described in the prior art, and in particular for sensor technology for measuring nitrate ion concentration in water. .

固体発光素子を用いて水中の硝酸イオン濃度をモニタリングするセンサは、これまで従来技術にはなかった。本明細書に教示したように固体発光素子を用いることで、従来技術のセンサに比べて大きな改良がもたらされる。例えば、本発明に係る硝酸イオンセンサは、従来技術のセンサに比べ、コストが低く、サイズが小さく、堅牢さが増し、信頼性が増し、消費電力が低減されている。   Until now, there has not been a sensor for monitoring nitrate ion concentration in water using a solid state light emitting device. The use of solid state light emitters as taught herein provides a significant improvement over prior art sensors. For example, a nitrate ion sensor according to the present invention is lower in cost, smaller in size, increased in robustness, increased in reliability, and reduced in power consumption as compared with a sensor of the prior art.

さらに、本発明に開示した、固体光源の発生させた光の波長を制御またはモニタリングするのに指標を用いることは、dε(λ)/dλが大きい対象物の濃度を測定するよう構成されたセンサ装置の信頼性の欠如を解決するうえで重要である。この問題は、本明細書において初めて認識されたものであり、固体発光素子の発光波長が素子の動作条件に依存してもともと不安定であるため水中の硝酸イオン濃度を測定するのが難しいという特有の問題にとって重要なものである。狭いスペクトル帯域の固体発光素子(例えば、レーザダイオード)の使用のため、有意に改善された濃度に対する吸光度の依存の線形性は、さらに、より高い確実性およびより容易に作成されるセンサを提供する。   In addition, the use of an indicator to control or monitor the wavelength of light generated by a solid state light source disclosed in the present invention is configured to measure the concentration of an object having a large dε (λ) / dλ. It is important in solving the lack of device reliability. This problem has been recognized for the first time in this specification, and it is difficult to measure the concentration of nitrate ions in water because the emission wavelength of a solid state light emitting device is inherently unstable depending on the operating conditions of the device. Is important to the problem. Due to the use of a narrow spectral band solid-state light emitting device (eg, laser diode), the linearity of absorbance dependence on significantly improved concentration further provides higher certainty and more easily made sensors. .

センサ装置用の光源に周波数変換素子を用いることで、本発明の利点をさらに増すことができる。とりわけ、固体発光素子の波長の変動によって生じる誤差および信頼性の欠如を減らすことができるという予期せぬ利点や、スペクトル帯域幅をさらに減らして濃度に対する吸光度の依存性における線形性を極めて高くするという予期せぬ利点である。粒子を利用して吸光を測定する従来技術のシステム(US20130015362A1)は、SHGを用いて吸光測定値用の光を提供することを含んでいる。しかしながら、この従来技術に係るセンサ装置は、水中の硝酸イオン濃度を測定するのには不向きである。とりわけ、US20130015362A1に係る装置は、周波数2倍化によって発生させた光の波長または発光のスペクトル帯域幅に対して何の制御も行わない。これらの特徴の両方ともが、本明細書において、実行可能な硝酸イオンセンサ装置の重要な諸態様であることが示されている。   The advantage of the present invention can be further increased by using the frequency conversion element as the light source for the sensor device. In particular, the unexpected advantage of reducing errors and lack of reliability caused by fluctuations in the wavelength of the solid state light emitting device, and further reducing the spectral bandwidth to make the linearity in the dependence of absorbance on concentration extremely high This is an unexpected advantage. A prior art system for measuring absorbance utilizing particles (US20130015362A1) involves using SHG to provide light for absorbance measurements. However, the sensor device according to this prior art is not suitable for measuring the nitrate ion concentration in water. In particular, the device according to US20130015362A1 does not perform any control over the wavelength of light generated by frequency doubling or the spectral bandwidth of light emission. Both of these features are shown herein to be important aspects of a viable nitrate sensor device.

添付された図面において、同じ参照番号は、同じ構成または同じ特徴を示す。
図1は、先行技術に開示された水中の硝酸イオンのモル吸光係数スペクトルを示す図である。 図2は、本発明の一態様に係るセンサ装置の一例を示す図である。 図3は、光源から出射された光の中心波長のシフトにより、硝酸イオンの濃度測定に生じる誤差を示す図である。 図4は、異なるスペクトル帯域(中心波長=220nm、経路長=0.25mm)を有する光に対する、水中の硝酸イオンの濃度における吸光度の依存性を示す図である。 図5は、本発明の一態様に係る、周波数変換素子を備えているセンサ装置の一例を示す図である。 図6は、周波数変換の構成を備えていないセンサ装置(実線)と周波数2倍化素子を備えているセンサ装置(点線)とにおける、固体発光素子から出射された光の中心波長のシフトによるに硝酸イオンの濃度測定に生じる誤差の比較を示す図である。 図7は、異なる駆動電流の範囲において、周波数変換されていない光(a)と周波数が2倍に変換された光(b)との中心波長の比較を示す図であり、矢印は駆動電流の増加の方向を示す。 図8は、周波数変換されていない光および周波数が2倍に変換された光の帯域の比較を示す図である。 図9は、本発明の一態様に係る、補助光源を備えているセンサ装置の一例を示す図である。 図10は、パルス動作モードに使用される2つの光源のタイムラインを示す図である。 図11は、本発明の有利な一態様に係る、補助光源を備えているセンサ装置の一例を示す図である。 図12は、図11に示すセンサ(本発明)を用いて得られた結果、および100 mg/litre 未満の濃度の硝酸イオンを含むサンプルにおけるカドミウム比色定量分析から得られた結果を比較した図である。 図13は、図11に示すセンサを用いて得られた結果、および100mg/litreより高い濃度の硝酸イオンを含むサンプルにおけるカドミウム比色分析から得られた結果を比較した図である。 図14は、本発明の一態様に係る、光散乱の測定を含むセンサ装置の一例を示す図である。 図15は、飲料水システムにおいて、例示的なセンサ装置を配置可能な位置を示す図である。 図16は、自動濃度調節手段を備えている例示的なセンサ装置を配置可能な位置を示す図である。 図17は、検体処理手段を配置可能な位置配置を示す図であり、(a)はインライン型を示し、(b)は浸水型を示す。 図18は、本発明の一態様に係る光源の一例を示す図である。 図19は、本発明の一態様に係る、第2波長を測定するために使用されるポンプ光を含むセンサ装置の一例を示す図である。 図20は、本発明の一態様に係る、第2波長の測定にポンプ光を使用するセンサ装置の一例を示す図である。 図21は、ポンプ波長放射素子に供給される電流の作用としての、ポンプ光Paの光強度の出力の変化、および、周波数が2倍化された光Pbの光強度の出力の変化を示す図である。 図22は、既知の希釈NIST標準硝酸によって調製された溶液の濃度と、図11に示すセンサを用いて得られた結果とを比較した図である。 図23は、図11に示すセンサ(本発明)を用いて得られた結果と、NIST標準硝酸を標準的なラボ施設で調整しUV質量分析により得られた結果とを比較した図である。 図24は、異なるスペクトル帯域(中心波長=223nm、経路長=0.75mm)を有する光に対する、水中の硝酸イオンの濃度における吸光度の依存性を示す図である。
In the accompanying drawings, the same reference numerals indicate the same configurations or the same features.
FIG. 1 is a diagram showing a molar extinction coefficient spectrum of nitrate ion in water disclosed in the prior art. FIG. 2 illustrates an example of a sensor device according to one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing an error that occurs in the concentration measurement of nitrate ions due to the shift of the center wavelength of the light emitted from the light source. FIG. 4 is a graph showing the dependence of absorbance on the concentration of nitrate ions in water for light having different spectral bands (center wavelength = 220 nm, path length = 0.25 mm). FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a sensor device including a frequency conversion element according to one embodiment of the present invention. FIG. 6 shows the shift of the center wavelength of the light emitted from the solid-state light emitting element in the sensor device (solid line) that does not have the frequency conversion configuration and the sensor device (dotted line) that has the frequency doubling element. It is a figure which shows the comparison of the error which arises in the density | concentration measurement of nitrate ion. FIG. 7 is a diagram showing a comparison of the center wavelengths of light (a) whose frequency is not converted and light (b) whose frequency is doubled in a range of different driving currents. Indicates the direction of increase. FIG. 8 is a diagram showing a comparison of bands of light that has not been frequency-converted and light whose frequency has been doubled. FIG. 9 illustrates an example of a sensor device including an auxiliary light source according to one embodiment of the present invention. FIG. 10 is a diagram showing a timeline of two light sources used in the pulse operation mode. FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a sensor device including an auxiliary light source according to an advantageous aspect of the present invention. FIG. 12 is a diagram comparing results obtained using the sensor shown in FIG. 11 (invention) and results obtained from cadmium colorimetric analysis in a sample containing nitrate ions at a concentration of less than 100 mg / litre. It is. FIG. 13 is a diagram comparing results obtained using the sensor shown in FIG. 11 and results obtained from cadmium colorimetric analysis in a sample containing nitrate ions at a concentration higher than 100 mg / litre. FIG. 14 illustrates an example of a sensor device including light scattering measurement according to one embodiment of the present invention. FIG. 15 is a diagram illustrating positions where an exemplary sensor device can be arranged in the drinking water system. FIG. 16 is a diagram illustrating positions where an exemplary sensor device including an automatic density adjusting unit can be arranged. FIGS. 17A and 17B are diagrams showing a position arrangement where the sample processing means can be arranged, in which FIG. 17A shows an inline type and FIG. 17B shows a submerged type. FIG. 18 illustrates an example of a light source according to one embodiment of the present invention. FIG. 19 is a diagram illustrating an example of a sensor device including pump light used to measure the second wavelength according to one embodiment of the present invention. FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a sensor device that uses pump light to measure the second wavelength according to one embodiment of the present invention. FIG. 21 is a diagram showing a change in the light intensity output of the pump light Pa and a change in the light intensity output of the light Pb whose frequency is doubled as an effect of the current supplied to the pump wavelength radiating element. It is. FIG. 22 is a diagram comparing the concentration of a solution prepared with known diluted NIST standard nitric acid and the results obtained using the sensor shown in FIG. FIG. 23 is a diagram comparing the results obtained using the sensor shown in FIG. 11 (the present invention) with the results obtained by UV mass spectrometry after adjusting NIST standard nitric acid in a standard laboratory facility. FIG. 24 is a graph showing the dependence of the absorbance on the concentration of nitrate ions in water for light having different spectral bands (center wavelength = 223 nm, path length = 0.75 mm).

本発明に係るセンサ装置は、従来技術のセンサの短所を克服しつつ、流体内のイオンまたは分子の濃度を測定することができる。本発明に係るセンサ装置は、固体発光部品(例えば、発光ダイオード(LED)またはレーザダイオード(LD))を光源として備え、240nm未満の波長λを有する光の透過率の測定値を用いて、流体内に存在するイオンまたは分子の濃度を測定する。上記装置は、水中の硝酸イオン濃度を測定するのに用いてもよい。   The sensor device according to the present invention can measure the concentration of ions or molecules in a fluid while overcoming the shortcomings of prior art sensors. The sensor device according to the present invention includes a solid-state light emitting component (for example, a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD)) as a light source, and uses a measured value of transmittance of light having a wavelength λ of less than 240 nm to Measure the concentration of ions or molecules present in it. The apparatus may be used to measure nitrate ion concentration in water.

本発明の一態様に係る例示的なセンサ装置を図2に示す。上記センサ装置は、検体2中の対象物1の濃度を測定するよう構成されている。対象物1は、一または複数種類のイオン、分子、原子、またはそれらの任意の組み合わせでよい。光源3は固体発光素子4(固体発光装置とも称する)を有し、240nm未満の一または複数の波長を有する光5を発し、当該波長は少なくともその一部が対象物1に吸収される。光源の発した光5の一部またはすべてが検体2に入射し、検体2内を伝搬する。検体に入射する光を入射光6と称し、強度P1を有する。当該光は検体の判明した距離Lを伝搬する。上記光の一部は、検体2内に存在する任意の対象物1に吸収される。検体2内を伝搬し終えると、上記光は透過光8と称され、強度P2を有する。透過光8は第1光検出手段9に入射し、第1光検出手段9を用いて透過光8の強度を測定する(光源3および第1光検出手段9を第1センシング素子と称してもよい)。P1およびP2の値を用いて、光の透過率(P2/P1)を測定し、それによって、検体内の対象物による入射光6の吸光度を測定してもよい。それから、当該吸光度から、検体内の対象物の濃度を計算してもよい。すべての部材間での光の結合は、自由空間伝搬によって行ってもよいし、レンズのようなビーム成形手段によって行ってもよい。 An exemplary sensor device according to one aspect of the invention is shown in FIG. The sensor device is configured to measure the concentration of the object 1 in the sample 2. The object 1 may be one or more kinds of ions, molecules, atoms, or any combination thereof. The light source 3 has a solid light emitting element 4 (also referred to as a solid light emitting device), emits light 5 having one or a plurality of wavelengths less than 240 nm, and at least a part of the wavelength is absorbed by the object 1. Part or all of the light 5 emitted from the light source enters the specimen 2 and propagates through the specimen 2. The light incident on the specimen is referred to as a incident light 6 has an intensity P 1. The light propagates the distance L that the specimen has been found. A part of the light is absorbed by an arbitrary object 1 present in the specimen 2. When finished propagated through the specimen 2, the light is called the transmitted light 8 has an intensity P 2. The transmitted light 8 enters the first light detection means 9 and measures the intensity of the transmitted light 8 using the first light detection means 9 (even if the light source 3 and the first light detection means 9 are referred to as a first sensing element). Good). The values of P 1 and P 2 may be used to measure the light transmittance (P 2 / P 1 ), thereby measuring the absorbance of incident light 6 by the object in the specimen. Then, the concentration of the object in the sample may be calculated from the absorbance. The coupling of light between all members may be performed by free space propagation or by beam shaping means such as a lens.

光6の波長において実質的に透過性の二つの窓10および11(例えば、各窓は光の少なくとも10%、好ましくは少なくとも50%を透過する)のあいだに検体2を任意で配置し、入射光6が結合して、検体の判明した距離Lだけ通過するようにしてもよい。検体2は流体(例えば、液体または気体)である。例えば、検体は水でもよい。   Arrange the specimen 2 optionally between two windows 10 and 11 that are substantially transparent at the wavelength of the light 6 (eg, each window transmits at least 10%, preferably at least 50% of the light) The light 6 may be combined to pass through the distance L determined by the specimen. The specimen 2 is a fluid (for example, liquid or gas). For example, the specimen may be water.

入射光6の強度(P1)を、第2光検出手段20を用いて任意で測定してもよい。当該測定では、P1は、第2検知手段20に入射した光の強度に比例する。第2光検出手段20を光源3内部に配置して、例えば、光源3内部の固体発光素子4が発した光21の強度を検知してもよい。あるいは、第2光検出手段20を光源3の外側に設置して、光5の強度を検知してもよい。任意で、部分反射ミラー22のような光学部品が光5に作用し(例えば、光源3と検体2のあいだに配置されている)、光5の一部を第2光検出手段20に結合させてもよい(この例示的な構成を図2に示す)。第2光検出手段20を備える利点は、それを用いて光源3の発した光5の強度の変動を特定し、それによって光の透過率をより正確に測定できることである。 The intensity (P 1 ) of the incident light 6 may be optionally measured using the second light detection means 20. In the measurement, P 1 is proportional to the intensity of the light incident on the second detection means 20. For example, the intensity of the light 21 emitted from the solid state light emitting device 4 inside the light source 3 may be detected by arranging the second light detection means 20 inside the light source 3. Alternatively, the intensity of the light 5 may be detected by installing the second light detection means 20 outside the light source 3. Optionally, an optical component such as a partial reflection mirror 22 acts on the light 5 (for example, disposed between the light source 3 and the specimen 2), and a part of the light 5 is coupled to the second light detection means 20. (This exemplary configuration is shown in FIG. 2). The advantage of having the second light detection means 20 is that it can be used to identify fluctuations in the intensity of the light 5 emitted by the light source 3, thereby making it possible to more accurately measure the light transmittance.

あるいは、P1は、光源3の動作条件(例えば、光源3に供給される電流および/または電圧)および光源3の動作条件に対するP1の判明した依存性に基づいて測定してもよい。 Alternatively, P 1 may be measured based on the operating conditions of the light source 3 (eg, current and / or voltage supplied to the light source 3) and the determined dependence of P 1 on the operating conditions of the light source 3.

第1光検出手段9の出力を用いて、入射光6が検体2の判明した距離Lを通過する際の対象物1による入射光6の吸光度Aを測定する。光の透過率(P2/P1)は、光がセンサ装置内を伝搬するあいだの全光損失に依存する。光損失の例としては、窓(10、11)における反射損失や吸収損失、検体が起こす分散損失(例えば、濁度による)、検体内の吸収損失(例えば、対象物による吸収、または検体内の他のイオン、分子、または原子による吸収による)が挙げられる。P2/P1の値は、次のように記載してもよい。 Using the output of the first light detection means 9, the absorbance A of the incident light 6 by the object 1 when the incident light 6 passes through the distance L determined by the specimen 2 is measured. The light transmittance (P 2 / P 1 ) depends on the total light loss while light propagates through the sensor device. Examples of light loss include reflection loss and absorption loss at the windows (10, 11), dispersion loss caused by the specimen (eg, due to turbidity), absorption loss within the specimen (eg, absorption by the object, or inside the specimen) Or by absorption by other ions, molecules or atoms). The value of P 2 / P 1 may be described as follows.

(1 - TA)は検体内の対象物により吸光された光の一部であり、対象物による吸光度はA=-log10(TA)である。(1-Ti) (i=1 to n)は他のn個の要因(n other causes)それぞれによって損失した光の一部である。例えば、主要な損失が、第1の窓による反射および吸光(T1 ≒ 0.94)、検体内の散乱(T2 ≒ 0.98)、検体内の有機分子による吸光(T3=0.90)、第2の窓による反射と吸光(T4≒ 0.95)によるものである場合、n=4であり、以下の式が成り立つ。 (1 − TA) is a part of the light absorbed by the object in the specimen, and the absorbance by the object is A = −log 10 (T A ). (1-T i ) (i = 1 to n) is part of the light lost by each of the other n factors. For example, the main losses are reflection and absorption by the first window (T 1 ≈ 0.94), scattering within the specimen (T 2 ≈ 0.98), absorption by organic molecules in the specimen (T 3 = 0.90), second In the case of reflection and absorption by a window (T 4 ≈ 0.95), n = 4, and the following equation holds.

特定のセンサ装置については、Tiの値は既知であるかもしれない(例えば、キャリブレーションプロセスによって)。Tiの値のいくつかあるいはすべてを、センサ装置の動作中に、別個の測定手段を通して決定してもよい。したがって、対象物の吸光度Aは、光の透過率(P2/P1)を測定して決定してもよい。入射光6の一つ以上の波長(λ)における対象物1の吸光度A、判明した距離L、判明したモル吸光係数ε(λ)を用いて、検体中の対象物1の濃度を測定してもよい。 For certain sensor devices, the value of Ti may be known (eg, by a calibration process). Some or all of the Ti values may be determined through a separate measurement means during operation of the sensor device. Therefore, the absorbance A of the object may be determined by measuring the light transmittance (P 2 / P 1 ). Using the absorbance A of the object 1 at one or more wavelengths (λ) of the incident light 6, the identified distance L, and the identified molar extinction coefficient ε (λ), the concentration of the object 1 in the sample is measured. Also good.

センサ装置は、第1光検出手段9からの入力を受け取り、かつ任意で第2光検出手段20からの入力を受け取るコントローラ23を、任意で備えてもよい。コントローラ23は、これらの入力を用いて吸光度Aを測定してもよく、さらにアルゴリズムを用いて対象物1の濃度を測定してもよい。例えば、コントローラ23は、マイクロコントローラ/マイクロプロセッサおよび他の電子回路を備えてもよい。コントローラ23はさらに、電流を光源3の任意の部位(固体発光素子4を含む)に供給する電流発生手段を備えてもよい。   The sensor device may optionally include a controller 23 that receives input from the first light detection means 9 and optionally receives input from the second light detection means 20. The controller 23 may measure the absorbance A using these inputs, and may further measure the concentration of the object 1 using an algorithm. For example, the controller 23 may comprise a microcontroller / microprocessor and other electronic circuitry. The controller 23 may further include current generating means for supplying current to an arbitrary part (including the solid light emitting element 4) of the light source 3.

本発明の一態様では、固体発光素子4は、中心波長が240nm未満の光21を発する一以上のLEDまたは一以上のレーザダイオードでもよい。光の中心波長は200nmより大きいことが好ましい。固体発光素子を用いると、従来技術のセンサで用いられるバンドパスフィルタを備えたランプに比べて大きな利点がある。例えば、堅牢性が増すこと、耐用年数が伸びること、電力消費が下がること、サイズが小さくなることである。   In one aspect of the present invention, the solid state light emitting device 4 may be one or more LEDs or one or more laser diodes that emit light 21 having a central wavelength of less than 240 nm. The center wavelength of light is preferably larger than 200 nm. Use of a solid state light emitting device has a great advantage over a lamp having a band pass filter used in a sensor of the prior art. For example, increased robustness, increased service life, reduced power consumption, and reduced size.

本開示全体に渡って、波長の数値は、屈折率が約1である空気を伝搬する光の波長の数値である。LEDやレーザダイオードは通常、中心波長の周りに分布する波長範囲を有する光を発する。例えば、中心波長は、従来の最小二乗誤差法を用いる光の発光スペクトルに最も適したガウス関数の中心に等しくてもよい。   Throughout the present disclosure, the numerical value of the wavelength is the numerical value of the wavelength of light propagating through air having a refractive index of about 1. LEDs and laser diodes usually emit light having a wavelength range distributed around the central wavelength. For example, the center wavelength may be equal to the center of the Gaussian function that is most suitable for the emission spectrum of light using the conventional least square error method.

本発明の一態様では、光源3の発する光5の中心波長(λ)を光源の動作条件の変動に対して安定させ、例えば、それによって、λが当初の値から±4nm未満、好ましくは±2nm未満、もっとも好ましくは±1nm未満だけしか変動しないようにし、それにより、センサ装置の信頼性を高める。光源の動作条件の変動としては、周辺温度の変動、光源の温度の変動、および/または光源に供給される電流および/または電圧の変動が挙げられる。本発明のこの態様は、次のようなセンサ装置が信頼性の高い動作を行うのにとりわけ有益である。すなわち、光の波長(例えば、対象物の吸光係数スペクトルの「吸収端」の波長に類似した波長や、「吸収ピーク」の端部の波長)の小さな変化に対して対象物の吸光係数(ε(λ))が大きく変動する、 In one aspect of the invention, the center wavelength (λ c ) of the light 5 emitted by the light source 3 is stabilized against fluctuations in the operating conditions of the light source, for example, whereby λ c is less than ± 4 nm from the initial value, preferably Will vary by less than ± 2 nm, most preferably by less than ± 1 nm, thereby increasing the reliability of the sensor device. Variations in the operating conditions of the light source include variations in ambient temperature, variations in the temperature of the light source, and / or variations in current and / or voltage supplied to the light source. This aspect of the invention is particularly beneficial for the following sensor devices to perform reliable operations. That is, the extinction coefficient (ε of the object) for a small change in the wavelength of light (for example, a wavelength similar to the wavelength of the “absorption edge” of the extinction coefficient spectrum of the object or the wavelength of the end of the “absorption peak”). (λ)) varies greatly,

ような対象物の濃度を測定するよう構成されているセンサ装置である。これは、対象物が硝酸イオンであり、検体が水であり、センサ装置が水中の硝酸イオン濃度を測定するよう構成されており、中心波長が約205nmから240nmであるとき、とりわけ重要である。この場合、dε(λ)/dλは、205nmから240nmの波長に対しては大きな負の値となり、207nmから227nmの波長に対しては、約-200 litres.mol-1cm-1nm-1という極めて大きな負の値となり、約220nmの波長に対しては、約-664 litres.mol-1cm-1nm-1という群を抜いて大きな負の値となる。 A sensor device configured to measure the concentration of such an object. This is particularly important when the object is nitrate ion, the analyte is water, the sensor device is configured to measure the nitrate ion concentration in the water, and the center wavelength is about 205 nm to 240 nm. In this case, dε (λ) / dλ is a large negative value for wavelengths from 205 nm to 240 nm, and is about −200 liters.mol −1 cm −1 nm −1 for wavelengths from 207 nm to 227 nm. For a wavelength of about 220 nm, it becomes a large negative value by overtaking the group of about -664 litres.mol -1 cm -1 nm -1 .

光源3の発した光の中心波長が変動に対して安定していない場合、測定された吸光度から濃度を決定するのに用いられる吸光係数(ε(λ))が不適切なため、センサ装置の信頼性が低下するかもしれない。例えば、光源3の発した光5が中心波長λを有していると予測される場合、吸光度から濃度を求める計算は、吸光係数としてε(λ)を想定する(明瞭にするため、本段落では、光5は単一の波長λを有し、光5の帯域波長は無視できるほど小さいものとするが、一般にはそうではない)。しかしながら、固体発光素子4が発した光の波長がシフトしたために光源3の発した光5が中心波長λ+Δλを有した場合、濃度計算は誤りとなる。これは、吸光係数ε(λ+Δλ)を用いた方がより適切なためである。例えば、水中の硝酸イオン濃度を測定する場合、図3に、中心波長が当初の220nmからΔλだけシフトしたために生じた硝酸イオン濃度の測定の相対的な誤差を示す。当該誤差は、|Δλ| < 1 nmという小さな値においてさえ大きい。この測定誤差の原因は従来技術の硝酸イオンセンサには当てはまらず、これまでは認識されてこなかった。従来技術の硝酸イオンセンサは、広帯域ランプ(例えば、キセノンランプや重水素ランプ)をバンドパスフィルタと組み合わせて、240nm未満の波長を有する光を提供する。当該フィルタは、240nm未満の波長を有する光の波長範囲を透過させる。これらのバンドパスフィルタによって透過される光の波長範囲は、動作条件の変化(例えば、周辺温度の変化)にさほど影響されない。したがって、従来技術の硝酸イオンセンサは、吸光度を測定するのに用いる光の波長のシフトに影響されない。 When the center wavelength of the light emitted from the light source 3 is not stable against fluctuations, the extinction coefficient (ε (λ)) used to determine the concentration from the measured absorbance is inappropriate, so that the sensor device Reliability may be reduced. For example, if the light 5 emitted by the light source 3 is predicted to have a center wavelength λ c , the calculation for determining the concentration from the absorbance assumes ε (λ c ) as the extinction coefficient (for clarity, In this paragraph, light 5 has a single wavelength λ c and the band wavelength of light 5 is negligibly small, but generally this is not the case). However, when the light 5 emitted from the light source 3 has the center wavelength λ c + Δλ because the wavelength of the light emitted from the solid state light emitting device 4 has shifted, the concentration calculation is erroneous. This is because it is more appropriate to use the extinction coefficient ε (λ c + Δλ). For example, when measuring the nitrate ion concentration in water, FIG. 3 shows the relative error in the measurement of nitrate ion concentration that occurs because the center wavelength is shifted by Δλ from the original 220 nm. The error is large even at small values of | Δλ | <1 nm. The cause of this measurement error does not apply to prior art nitrate ion sensors and has not been recognized so far. Prior art nitrate ion sensors combine a broadband lamp (eg, a xenon lamp or deuterium lamp) with a bandpass filter to provide light having a wavelength of less than 240 nm. The filter transmits a wavelength range of light having a wavelength of less than 240 nm. The wavelength range of light transmitted by these bandpass filters is not significantly affected by changes in operating conditions (for example, changes in ambient temperature). Thus, the prior art nitrate ion sensor is not affected by the shift in wavelength of light used to measure absorbance.

固体光源は、光源の温度、光源に供給される電流および/または電圧などの動作条件の変化によって、発光の波長が大きくシフトするかもしれない。例えば、レーザとLEDでは、温度変動の場合、発光の中心波長の通常のシフトは1 nm/10°Cである。さらなる例では、光源に供給される電流の変化の場合、発光の中心波長は、通常の動作電流の範囲に渡って数nm変化するかもしれない。したがって、センサが固体発光素子4を含む光源3の発した240nm未満の波長の光の透過率から対象物の濃度を測定するよう構成されており、当該対象物のdε(λ)/dλが240nm未満の波長に対して大きな正の値または大きな負の値を示す場合は、当該センサは、光源3の動作条件に変動があれば信頼性が欠如してしまうかもしれない。   A solid-state light source may have a large shift in emission wavelength due to changes in operating conditions such as the temperature of the light source, current and / or voltage supplied to the light source. For example, for lasers and LEDs, the normal shift in the center wavelength of light emission is 1 nm / 10 ° C for temperature fluctuations. As a further example, in the case of a change in the current supplied to the light source, the center wavelength of the emission may vary by a few nm over the normal operating current range. Therefore, the sensor is configured to measure the concentration of the object from the transmittance of light having a wavelength of less than 240 nm emitted from the light source 3 including the solid state light emitting element 4, and dε (λ) / dλ of the object is 240 nm. If the sensor shows a large positive value or a large negative value for less than a wavelength, the sensor may be unreliable if the operating conditions of the light source 3 vary.

こうした信頼性の欠如は、固体発光素子4を含む光源3の発した240nm未満の波長の光の透過率を用いる硝酸イオンセンサにとっては重大な問題である。   Such a lack of reliability is a serious problem for a nitrate ion sensor that uses the transmittance of light having a wavelength of less than 240 nm emitted from the light source 3 including the solid state light emitting device 4.

この誤差の原因は、吸光度の測定に波長240nmから400nmの固体UV光源を使用することを記載している従来技術では見出されていない(例えば、DE102011081317A1)。   The cause of this error has not been found in prior art that describes the use of a solid UV light source with a wavelength of 240 nm to 400 nm for measuring absorbance (eg DE102011081317A1).

この問題を解決するため、本発明の一態様では、光源3の発した光5の中心波長を、光源の動作条件の変動に対して安定させる。本発明の一態様によれば、これを実現しうるものとしては、以下に掲げるもののうち一つまたはそれらの任意の組み合わせが考えられるが、これらに限定されるものではない。
1)光学波長安定素子24の使用。波長安定素子24は、固体発光素子4の発した光の中心波長が、動作条件の変動により変動するのを低減する。例えば、波長安定素子は、表面回折格子、ボリュームブラッグ格子、他の回折格子、あるいは固体発光素子4の発した光の一部を固体発光素子4に戻し固体発光素子4が特定波長を発光するのを優先的に促進する2色性ミラーでよく、それにより、動作条件が変化するときの発光波長の変化を、波長安定素子がない場合に比べて低減する。例えば、固体発光素子4がレーザダイオードを備えており、波長安定素子24が表面回折格子である場合、当該表面回折光子を用いて外部共振器型ダイオードレーザ(例えば、リトロウ型またはリットマン・メトカーフ型)を構成してもよい。これは、図2に概略的に示される、例示的な構成である。レンズのような光学素子を、固体発光素子4と波長安定素子24のあいだに配置してもよい(この光学素子は図2には示していない)。波長安定素子24は、図2の例のように、必ずしも固体発光素子4と検体2のあいだに配置しなければならないわけではない。
2)任意の温度制御手段25の使用。温度制御手段25は、固体発光素子4の温度を特定範囲内に保ち、それにより、固体発光素子の発した光の波長が動作条件の変化により変動するのを低減する。例えば、固体発光素子4の温度を中心温度から±1°Cの特定範囲内に保ってもよく、それにより、周辺温度および/または固体発光素子4に供給される電流が変動する際の発光の波長の変動が、温度制御手段25がない場合より低減される。温度制御手段25は、任意のコントローラ23から制御入力を受け取ってもよい。図2に概略的に示す例示的な構成は、温度制御手段25を含む。
3)光学波長フィルタ26の使用。波長フィルタ26は、ある範囲内の一つ以上の波長を有する光を、その範囲外の波長よりもよく透過する。したがって、固体発光素子の発した光の波長が動作条件の変化により変化した場合でも、フィルタ内を伝搬した光の波長の変動を低減する。適切な波長フィルタの例としては、バンドパスフィルタ、ショートパスフィルタ、ロングパスフィルタ、回折格子、およびプリズムが挙げられる。
In order to solve this problem, in one embodiment of the present invention, the center wavelength of the light 5 emitted from the light source 3 is stabilized against fluctuations in the operating conditions of the light source. According to one aspect of the present invention, this can be realized by one or any combination of the following, but is not limited thereto.
1) Use of the optical wavelength stabilizing element 24. The wavelength stabilizing element 24 reduces the fluctuation of the center wavelength of the light emitted from the solid state light emitting element 4 due to fluctuations in operating conditions. For example, the wavelength stabilizing element returns a part of light emitted from the surface diffraction grating, volume Bragg grating, other diffraction grating, or solid light emitting element 4 to the solid light emitting element 4, and the solid light emitting element 4 emits a specific wavelength. May be a dichroic mirror that preferentially promotes the light emission, thereby reducing the change in the emission wavelength when the operating condition changes compared to the case where there is no wavelength stabilizing element. For example, when the solid-state light emitting element 4 includes a laser diode and the wavelength stabilizing element 24 is a surface diffraction grating, an external resonator type diode laser (for example, Littrow type or Littman Metcalf type) is used by using the surface diffracted photon. May be configured. This is an exemplary configuration schematically shown in FIG. An optical element such as a lens may be disposed between the solid-state light emitting element 4 and the wavelength stabilizing element 24 (this optical element is not shown in FIG. 2). The wavelength stabilizing element 24 does not necessarily have to be disposed between the solid light emitting element 4 and the specimen 2 as in the example of FIG.
2) Use of optional temperature control means 25. The temperature control means 25 keeps the temperature of the solid state light emitting device 4 within a specific range, thereby reducing fluctuations in the wavelength of light emitted from the solid state light emitting device due to changes in operating conditions. For example, the temperature of the solid-state light emitting element 4 may be kept within a specific range of ± 1 ° C. from the center temperature, so that the light emission when the ambient temperature and / or the current supplied to the solid-state light emitting element 4 varies Wavelength variation is reduced as compared with the case where the temperature control means 25 is not provided. The temperature control means 25 may receive a control input from an arbitrary controller 23. The exemplary configuration shown schematically in FIG. 2 includes temperature control means 25.
3) Use of the optical wavelength filter 26. The wavelength filter 26 transmits light having one or more wavelengths within a certain range better than wavelengths outside the range. Therefore, even when the wavelength of light emitted from the solid state light emitting device changes due to a change in operating conditions, fluctuations in the wavelength of light propagated in the filter are reduced. Examples of suitable wavelength filters include bandpass filters, shortpass filters, longpass filters, diffraction gratings, and prisms.

本発明の一態様では、光源3の発した光5の中心波長は、直接的または間接的な方法によって決定され、それによってセンサ装置の信頼性を高める。本発明のこの特徴を用いて、図3に示した誤差の影響を低減してもよい。固体発光素子4の発した光の波長が動作条件の変化で変化した場合でも、中心波長λcが決まったならば、適切な吸光係数ε(λ_c )を用いて、吸光度から対象物の濃度を決定することができる。本発明の一態様によれば、これを実現しうるものとしては、以下に掲げるもののうち一つまたはそれらの任意の組み合わせが考えられるが、これらに限定されるものではない。
1)光学温度検知手段27の使用。温度検知手段が、固体発光素子4または光源3の温度を測定してもよい。固体発光素子4または光源3の温度を、固体発光素子4の発した光の中心波長の間接的な指標として用いてもよい。例えば、固体発光素子4の温度を、温度に伴う発光中心波長の判明変化量または推定変化量と比較してもよい。例えば、温度検知手段はサーモカップルまたはサーミスタでもよい。
2)電流検知手段の使用。電流検知手段が、固体発光素子4に供給された電流を測定してもよい。固体発光素子4に供給された電流の判明値を、固体発光素子4の発した光の中心波長の間接的な指標として用いてもよい。例えば、固体発光素子4に供給された電流を、電流に伴う発光中心波長の判明変化量または推定変化量と比較してもよい。光波長を安定させるため、電流調節器および/または電圧調節器を使用して、発光装置に供給される電流および/または電圧を調節してもよい。
3)固体発光素子4の発した光の中心波長の、分光光度手段(本明細書では波長センサとも呼ぶ)による測定。
In one aspect of the invention, the center wavelength of the light 5 emitted by the light source 3 is determined by a direct or indirect method, thereby increasing the reliability of the sensor device. This feature of the invention may be used to reduce the effect of the error shown in FIG. Even if the wavelength of light emitted from the solid state light emitting device 4 changes due to a change in operating conditions, if the center wavelength λc is determined, the concentration of the object is determined from the absorbance using an appropriate extinction coefficient ε (λ_c). can do. According to one aspect of the present invention, this can be realized by one or any combination of the following, but is not limited thereto.
1) Use of the optical temperature detection means 27. The temperature detection unit may measure the temperature of the solid state light emitting device 4 or the light source 3. The temperature of the solid light emitting element 4 or the light source 3 may be used as an indirect indicator of the center wavelength of the light emitted from the solid light emitting element 4. For example, the temperature of the solid state light emitting device 4 may be compared with a known change amount or estimated change amount of the emission center wavelength associated with the temperature. For example, the temperature detecting means may be a thermocouple or a thermistor.
2) Use of current detection means. The current detection unit may measure the current supplied to the solid state light emitting device 4. The known value of the current supplied to the solid state light emitting device 4 may be used as an indirect indicator of the center wavelength of the light emitted from the solid state light emitting device 4. For example, the current supplied to the solid state light emitting device 4 may be compared with the known change amount or estimated change amount of the emission center wavelength associated with the current. In order to stabilize the light wavelength, a current regulator and / or voltage regulator may be used to regulate the current and / or voltage supplied to the light emitting device.
3) Measurement of the center wavelength of the light emitted from the solid state light emitting device 4 by a spectrophotometric means (also referred to as a wavelength sensor in this specification).

光の中心波長を直接または間接に決定する任意の手段により、任意のコントローラ23に入力を行い、吸光度から定められた対象物の濃度の精度を高めるのに用いてもよい。例えば、温度検知手段で測定した温度を、コントローラ23に入力してもよい。   Input to any controller 23 by any means for directly or indirectly determining the center wavelength of light, and may be used to increase the accuracy of the concentration of the object determined from the absorbance. For example, the temperature measured by the temperature detection unit may be input to the controller 23.

本発明の一態様では、光源3の発した光は、狭スペクトル帯域幅(例えば、2nm未満、好ましくは約1nmのスペクトル帯域幅)を有し、それにより、製造が容易で、キャリブレーションが容易で、信頼性の高いセンサ装置を提供する。本発明のこの態様は、光の波長の小さな変化に対して光の吸光係数(ε(λ))が大きく変動するような対象物の濃度を測定するよう構成されたセンサ装置の動作を信頼できるものにするのにとりわけ重要である。   In one aspect of the present invention, the light emitted by the light source 3 has a narrow spectral bandwidth (eg, a spectral bandwidth of less than 2 nm, preferably about 1 nm), which is easy to manufacture and easy to calibrate Therefore, a highly reliable sensor device is provided. This aspect of the invention can reliably operate the sensor device configured to measure the concentration of an object such that the light absorption coefficient (ε (λ)) varies greatly with small changes in the wavelength of light. Especially important to make things.

光のスペクトル帯域幅は、当該光に存在する波長範囲の指標である。本開示では、スペクトル帯域幅は、光のスペクトルの半値全幅(FWHM)として定義される。例えば、スペクトル帯域幅は、従来の最小2乗誤差法を利用する光のスペクトルに適したガウス関数のFWHMに等しい。   The spectral bandwidth of light is an indicator of the wavelength range present in the light. In this disclosure, spectral bandwidth is defined as the full width at half maximum (FWHM) of the spectrum of light. For example, the spectral bandwidth is equal to the FWHM of a Gaussian function suitable for the light spectrum using the conventional least square error method.

対象物の吸光係数(ε(λ))が入射光6の異なる波長ごとに変動する場合、吸光度は対象物の濃度に対し、望ましくない非線形の依存をしている。入射光6のスペクトル帯域幅内で吸光係数がより多く変化するほど、反応はそれだけ非線形になる。これは、水中の硝酸イオン濃度を測定するよう構成されているセンサ装置にとってはとりわけ問題である。この場合、硝酸イオンのε(λ)の値は、240nmの波長と200nmの波長のあいだで、ε(λ=240 nm) ≒ 100 litres.mol-1.cm-1の値からε(λ=200 nm) ≒ 10,000 litres.mol-1.cm-1の値へと、急速に変化する。この場合、硝酸イオン濃度に対する吸光度の依存は、入射光6のスペクトル帯域幅が2nm未満でなければ、極めて非線形である。非線形性は、図4のプロットから明らかである。このプロットは、中心波長が220nm、スペクトル帯域幅が10nm、2nm、1nm、0.1nmである入射光6における、硝酸イオン濃度に対する吸光度の依存性を示している。このプロットは、スペクトル帯域幅が10nmである入射光6において、吸光度が硝酸イオン濃度に対して実質的に非線形の依存性を持っていることを示している。それに対して、スペクトル帯域幅が2 nm未満、とりわけスペクトル帯域幅が1 nmか0.1 nmの入射光6において、当該依存性は実質的に線形である。 When the extinction coefficient (ε (λ)) of the object varies for different wavelengths of the incident light 6, the absorbance has an undesirable non-linear dependence on the concentration of the object. The more the extinction coefficient changes within the spectral bandwidth of the incident light 6, the more nonlinear the reaction. This is particularly problematic for sensor devices that are configured to measure nitrate ion concentration in water. In this case, the value of ε (λ) of nitrate ion is between the wavelength of 240 nm and the wavelength of 200 nm, from the value of ε (λ = 240 nm) ≈ 100 liters.mol −1 .cm −1 to ε (λ = 200 nm) ≒ 10,000 litres.mol -1 .cm -1 changes rapidly. In this case, the dependence of the absorbance on the nitrate ion concentration is extremely non-linear unless the spectral bandwidth of the incident light 6 is less than 2 nm. Non-linearity is evident from the plot of FIG. This plot shows the dependence of the absorbance on the nitrate ion concentration in incident light 6 having a center wavelength of 220 nm and spectral bandwidths of 10 nm, 2 nm, 1 nm, and 0.1 nm. This plot shows that in the incident light 6 having a spectral bandwidth of 10 nm, the absorbance has a substantially nonlinear dependence on the nitrate ion concentration. In contrast, the dependence is substantially linear for incident light 6 having a spectral bandwidth of less than 2 nm, especially a spectral bandwidth of 1 nm or 0.1 nm.

対象物の濃度に対する吸光度の実質的に線形の依存性は大きな利点である。そうすれば、検体中の所定のイオンまたは分子の濃度を計算するのに非線形修正子(nonlinear correction factor)を必要としなくなるからである。したがって、センサのキャリブレーションプロセスが単純化され、広い濃度範囲に渡って高い精度を達成することができる。   The substantially linear dependence of absorbance on the concentration of the object is a great advantage. This is because no nonlinear correction factor is required to calculate the concentration of a given ion or molecule in the specimen. Thus, the sensor calibration process is simplified and high accuracy can be achieved over a wide concentration range.

本発明によれば、センサ装置で用いられる入射光6のスペクトル帯域幅は2 nm未満であることが好ましい。これにより、従来技術のセンサ(例えば、硝酸イオンセンサ)に比べて線形性という大きな利点が得られる。優先的には、例えば、半導体レーザ(例えば、レーザダイオード)または光ポンプレーザのような固体レーザを、固体発光素子4として用いる。このようにレーザを用いることにより、ずっと大きなスペクトル帯域幅を有するLEDのような光源に比べて大きな利点が得られる。LEDまたはレーザを用いることにより、従来技術に見られるような、UVランプ(例えば、重水素ランプまたはキセノンランプ)にバンドパスフィルタを組み合わせたものに比べて、大きな利点が得られる。レーザダイオードからの発光はスペクトル帯域幅が非常に小さく、通常は2 nm未満であり、「単色」と称されることもある。これは、検体によるレーザ光の吸収が、対象物の吸光係数スペクトルに関係なく、濃度に対して実質的に線形であることを意味する。それに対して、LEDの発光は通常、約10nmから20nmのスペクトル帯域幅を有する。従来技術のセンサに見られるような、UVランプ(例えば、重水素ランプまたはキセノンランプ)にバンドパスフィルタを組み合わせたものの発光は通常、10 nmを超えるスペクトル帯域幅を有する。   According to the invention, the spectral bandwidth of the incident light 6 used in the sensor device is preferably less than 2 nm. This provides a significant advantage of linearity over prior art sensors (eg, nitrate ion sensors). Preferentially, for example, a solid-state laser such as a semiconductor laser (for example, a laser diode) or an optical pump laser is used as the solid-state light emitting element 4. The use of a laser in this manner provides significant advantages over light sources such as LEDs that have a much larger spectral bandwidth. The use of LEDs or lasers provides significant advantages over the combination of bandpass filters with UV lamps (eg, deuterium lamps or xenon lamps) as found in the prior art. The emission from a laser diode has a very small spectral bandwidth, usually less than 2 nm, and is sometimes referred to as “monochromatic”. This means that the absorption of the laser light by the specimen is substantially linear with respect to the concentration regardless of the extinction coefficient spectrum of the object. In contrast, the emission of an LED typically has a spectral bandwidth of about 10 nm to 20 nm. The emission of a UV lamp (eg, deuterium lamp or xenon lamp) combined with a bandpass filter, as found in prior art sensors, typically has a spectral bandwidth greater than 10 nm.

本発明に係る他の一態様を図5に示す。このセンサ装置は、図2に関連して上記したセンサ装置と、いくつかの特徴、および利点の大部分またはすべてを共有している。図5の構成部品が図2の構成部品と類似している、あるいは類似の機能を有している場合、それらは同じ番号を与えられ、再度説明することはしない。本発明のこの態様によれば、光源30は、固体発光素子4と、一つ以上の周波数変換素子31とを備える。固体発光素子4の発する光21は、第1中心波長(Λc)を含む。第1中心波長を有するこの光21の一部またはすべてが、周波数変換素子によって第2中心波長(λc)に変換される。好ましい例では、光21は、例えば第二高調波発生(SHG)プロセスによって、周波数変換素子31によって周波数二倍化され、第2中心波長を第1中心波長の約半分(λc ≒ Λc/2)にする。周波数変換素子の発した光32は、240nm未満の第2中心波長を有する光を含んでいる。好ましくは、光32は200nmを超える第2中心波長を有する光を含んでいる。この例では、周波数変換がSHGプロセスを含んでいる場合、光21は、480 nm未満の第1波長を有する光を含んでおり、好ましくは、400 nmを超える第1中心波長を有する光を含んでいる。代替例では、光32は、他の周波数変換によって光21から変換されてもよい。そうした他の周波数変換としては、第三高調波発生(λc ≒ Λc/3)、第四高調波発生(λc ≒ Λc/4)、第五高調波発生(λc ≒ Λc/5)、和周波発生、差周波発生が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Another embodiment according to the present invention is shown in FIG. This sensor device shares most or all of several features and advantages with the sensor device described above in connection with FIG. If the components of FIG. 5 are similar or have similar functions to those of FIG. 2, they will be given the same number and will not be described again. According to this aspect of the present invention, the light source 30 includes the solid state light emitting device 4 and one or more frequency conversion devices 31. The light 21 emitted from the solid state light emitting device 4 includes the first center wavelength (Λ c ). Part or all of the light 21 having the first center wavelength is converted to the second center wavelength (λ c ) by the frequency conversion element. In a preferred example, the light 21 is frequency doubled by the frequency converting element 31, for example by a second harmonic generation (SHG) process, and the second center wavelength is approximately half the first center wavelength (λ c ≈Λ c / 2). The light 32 emitted from the frequency conversion element includes light having a second center wavelength of less than 240 nm. Preferably, light 32 includes light having a second center wavelength greater than 200 nm. In this example, if the frequency conversion includes an SHG process, the light 21 includes light having a first wavelength less than 480 nm, and preferably includes light having a first center wavelength greater than 400 nm. It is out. In the alternative, the light 32 may be converted from the light 21 by other frequency conversions. Other frequency conversions include third harmonic generation (λ c ≈ Λ c / 3), fourth harmonic generation (λ c ≈ Λ c / 4), and fifth harmonic generation (λ c ≈ Λ c / 5), sum frequency generation and difference frequency generation are mentioned, but not limited to these.

一例では、固体発光素子4はレーザダイオードを含む。例えば、固体発光素子4は、400nmから480nmの範囲、好ましくは420 nmから470 nmの範囲の第1中心波長を有する光を発するレーザダイオードを含んでもよい。他の例では、固体発光素子4は、ドープレーザ結晶の利得媒体を含むダイオードポンプ固体レーザであってもよい。   In one example, the solid state light emitting device 4 includes a laser diode. For example, the solid state light emitting device 4 may include a laser diode that emits light having a first center wavelength in the range of 400 nm to 480 nm, preferably in the range of 420 nm to 470 nm. In another example, the solid state light emitting device 4 may be a diode pumped solid state laser including a gain medium of a doped laser crystal.

任意で、光源30はさらに、波長安定素子24を備えてもよい。この特徴は図5に含まれている。波長安定素子24は、固体発光素子4の発した光の波長が、動作条件の変動により変動するのを低減することができる。このようにして、波長安定素子24は、第1中心波長を有する光21(周波数変換素子31に対する「ポンプ」光である)の波長の変動を低減することができる。その結果、波長安定素子24は、光32中の、第2中心周波数を有する周波数変換光の変動を低減するという効果を奏する。これは、周波数変換光の波長が、光21の波長で定まるからである(例えば、周波数変換素子31のSHGプロセスの例では、光32の波長は、光21の波長の約半分である)。例えば、波長安定素子は、表面回折格子、ボリュームブラッグ格子、他の回折格子、あるいは固体発光素子4の発した光の一部を固体発光素子4に戻し固体発光素子4が特定波長を発光するのを優先的に促進する2色性ミラーでよく、それにより、動作条件が変化するときの発光波長の変動を、波長安定素子がない場合に比べて低減する。例えば、固体発光素子4がレーザダイオードを備えており、波長安定素子24が表面回折格子である場合、当該表面回折光子を用いて外部共振器型ダイオードレーザ(例えば、リトロウ型またはリットマン・メトカーフ型)を構成してもよい。これは、図5に概略的に示される、例示的な構成である。レンズのような光学素子を、固体発光素子4と波長安定素子24のあいだに配置してもよい(これは図5には示していない)。波長安定素子24は、図5の例のように、必ずしも固体発光素子4と周波数変換部品31のあいだに配置しなければならないわけではない。さらに、周波数変換素子31は、固体発光素子4と波長安定素子24のあいだに配置してもよい。この後者の構成(図5には示さず)では、固体発光素子4へと戻され固体発光素子の特定波長の発光を優先的に促進する光の部分が、周波数変換素子31内を伝搬してもよい。   Optionally, the light source 30 may further comprise a wavelength stabilizing element 24. This feature is included in FIG. The wavelength stabilizing element 24 can reduce the fluctuation of the wavelength of the light emitted from the solid state light emitting element 4 due to fluctuations in operating conditions. In this way, the wavelength stabilizing element 24 can reduce fluctuations in the wavelength of the light 21 having the first center wavelength (which is “pump” light with respect to the frequency conversion element 31). As a result, the wavelength stabilizing element 24 has an effect of reducing the fluctuation of the frequency converted light having the second center frequency in the light 32. This is because the wavelength of the frequency converted light is determined by the wavelength of the light 21 (for example, in the example of the SHG process of the frequency converting element 31, the wavelength of the light 32 is about half of the wavelength of the light 21). For example, the wavelength stabilizing element returns a part of light emitted from the surface diffraction grating, volume Bragg grating, other diffraction grating, or solid light emitting element 4 to the solid light emitting element 4, and the solid light emitting element 4 emits a specific wavelength. A dichroic mirror that preferentially promotes light emission can be used, thereby reducing fluctuations in the emission wavelength when the operating condition changes compared to the case where there is no wavelength stabilizing element. For example, when the solid-state light emitting element 4 includes a laser diode and the wavelength stabilizing element 24 is a surface diffraction grating, an external resonator type diode laser (for example, Littrow type or Littman Metcalf type) is used by using the surface diffracted photon. May be configured. This is an exemplary configuration schematically shown in FIG. An optical element such as a lens may be disposed between the solid light emitting element 4 and the wavelength stabilizing element 24 (this is not shown in FIG. 5). The wavelength stabilizing element 24 does not necessarily have to be disposed between the solid-state light emitting element 4 and the frequency conversion component 31 as in the example of FIG. Further, the frequency conversion element 31 may be disposed between the solid light emitting element 4 and the wavelength stabilizing element 24. In this latter configuration (not shown in FIG. 5), the portion of the light that is returned to the solid state light emitting element 4 and promotes the light emission of the specific wavelength of the solid state light element preferentially propagates in the frequency conversion element 31. Also good.

任意で、温度制御手段25は、固体発光素子4の温度を特定範囲内に保ち、それにより、固体発光素子の発した光の波長が動作条件の変化により変動するのを低減してもよい。例えば、固体発光素子4の温度を±1°Cの特定範囲内に保ち、それにより、周辺温度および/または固体発光素子4に供給される電流が変動する際の発光の波長の変動が、温度制御手段25がない場合より低減される。温度制御手段は、このようにして第1および第2中心波長の変動を低減することができる。温度制御手段25は、任意のコントローラ23から制御入力を受け取ってもよい。   Optionally, the temperature control means 25 may keep the temperature of the solid state light emitting element 4 within a specific range, thereby reducing the fluctuation of the wavelength of light emitted by the solid state light emitting element due to a change in operating conditions. For example, the temperature of the solid state light emitting device 4 is kept within a specific range of ± 1 ° C., whereby the ambient temperature and / or the variation of the wavelength of the light emission when the current supplied to the solid state light emitting device 4 varies is the temperature. This is reduced as compared with the case where there is no control means 25. In this way, the temperature control means can reduce fluctuations in the first and second center wavelengths. The temperature control means 25 may receive a control input from an arbitrary controller 23.

任意で、固体発光素子4の発した光21の第1中心波長および/または周波数変換光の第2中心波長は、直接的または間接的な方法で定め、それによってセンサ装置の信頼性を高めてもよい。例えば、温度検知手段、電流検知手段、または分光光度手段を、発明の詳細な説明において図2のセンサ装置に関連して上述したのと同じやり方で用いることによってである。   Optionally, the first center wavelength of the light 21 emitted from the solid state light emitting device 4 and / or the second center wavelength of the frequency converted light is determined in a direct or indirect manner, thereby increasing the reliability of the sensor device. Also good. For example, by using temperature sensing means, current sensing means, or spectrophotometric means in the same manner as described above in connection with the sensor device of FIG. 2 in the detailed description of the invention.

周波数変換素子の発した光32は、第2中心波長を有する光と、第1中心波長を有する未変換の「ポンプ」または「基本波」光を含んでもよい。フィルタ33を周波数変換素子31と検体2とのあいだに配置してもよい。図5では、フィルタ33は光源30の内部に配置されているが、フィルタは光源の外部に配置してもよい。フィルタ33は、第1中心波長を有する光の強度を、第2中心波長を有する光の強度を減衰するよりも多量に減衰する。フィルタ33は、一つ以上のバンドパスフィルタを含んでもよい。例えば、フィルタ33は一つ以上のミラーを備え、ミラーが第2中心波長を有する光は実質的に反射するが第1中心波長を有する光は実質的に透過させ、反射した光の一部またはすべてがフィルタから光5として現れるようにしてもよい。第1中心波長を有する光はフィルタ33によって大きく減衰されることが好ましい。検体に入射する入射光6は、大部分が第2中心波長を有する光であることが好ましい。例えば、検体2に入射する入射光6は、第2中心波長を有する光の強度が、第1中心波長を有する光の強度より2.5倍、10倍、50倍、100倍、500倍、または1000倍大きくてもよい。   The light 32 emitted by the frequency conversion element may include light having a second center wavelength and unconverted “pump” or “fundamental” light having a first center wavelength. The filter 33 may be disposed between the frequency conversion element 31 and the sample 2. In FIG. 5, the filter 33 is arranged inside the light source 30, but the filter may be arranged outside the light source. The filter 33 attenuates the intensity of the light having the first center wavelength more than the intensity of the light having the second center wavelength. The filter 33 may include one or more band pass filters. For example, the filter 33 includes one or more mirrors, and the mirror substantially reflects light having the second center wavelength but substantially transmits light having the first center wavelength, and a part of the reflected light or All may appear as light 5 from the filter. It is preferable that the light having the first center wavelength is greatly attenuated by the filter 33. Most of the incident light 6 incident on the specimen is preferably light having the second central wavelength. For example, the incident light 6 incident on the specimen 2 has an intensity of light having the second center wavelength 2.5 times, 10 times, 50 times, 100 times, 500 times that of light having the first center wavelength, Or it may be 1000 times larger.

図2のセンサ装置(すなわち、光源3を有するが周波数変換素子31を有しない)について記載したのと同様、検体に入射する入射光6を用いて、光の透過率(P2/P1)を決定し、それによって対象物による光の吸光度を決定し、それによって検体中の対象物の濃度を決定してもよい。 As described for the sensor device of FIG. 2 (that is, having the light source 3 but not the frequency conversion element 31), the light transmittance (P 2 / P 1 ) using incident light 6 incident on the specimen is used. , Thereby determining the absorbance of light by the object, thereby determining the concentration of the object in the specimen.

検体中の対象物の濃度を光の吸光度から決定するよう構成されたセンサ装置が、固体発光素子4を含む光源30と、一つ以上の周波数変換素子31を備え、検体2に入射した入射光6が周波数変換光を含むようにするのが有利である。第1中心波長(Λc)を有する光21が、第2中心波長(λc)を有する周波数変換光に変換され、第2中心波長は第1中心波長より小さく(λc < Λc)、例えばλc≒ Λc/2であることがとりわけ有利である。 A sensor device configured to determine the concentration of an object in a specimen from light absorbance includes a light source 30 including a solid light emitting element 4 and one or more frequency conversion elements 31, and incident light incident on the specimen 2. Advantageously, 6 includes frequency converted light. The light 21 having the first center wavelength (Λ c ) is converted into frequency converted light having the second center wavelength (λ c ), and the second center wavelength is smaller than the first center wavelength (λ cc ), For example, it is particularly advantageous that λ c ≈Λ c / 2.

光源30が一つ以上の周波数変換素子31を含んで入射光6が周波数変換光を含むようにすることの第一の利点は、このセンサ装置(すなわち、図5)は、固体光源を含んでいるが周波数変換部品を含んでいない光源の発した光の吸光度から検体中の対象物の濃度を測定するセンサ装置(すなわち、図2)に比べて、濃度測定の信頼度を高められることである。この利点は、次のようなセンサ装置が信頼性の高い動作を行うのにとりわけ有益である。すなわち、光の波長(例えば、対象物の吸光係数スペクトルの「吸収端」の波長に類似した波長や、「吸収ピーク」の端部の波長)の小さな変化に対してイオンまたは分子による光の吸光係数(ε(λ))が大きく変動する、   The first advantage of having the light source 30 include one or more frequency conversion elements 31 so that the incident light 6 includes frequency converted light is that this sensor device (ie, FIG. 5) includes a solid state light source. Compared to a sensor device (that is, FIG. 2) that measures the concentration of an object in a specimen from the absorbance of light emitted from a light source that does not include a frequency conversion component, the reliability of concentration measurement can be increased. . This advantage is particularly beneficial for a reliable operation of the following sensor device. That is, light absorption by ions or molecules for small changes in the wavelength of light (for example, a wavelength similar to the wavelength at the “absorption edge” of the absorption coefficient spectrum of the object or the wavelength at the end of the “absorption peak”) The coefficient (ε (λ)) varies greatly.

ような対象物の濃度を測定するよう構成されているセンサ装置である。これは、本発明に係るセンサが水中の硝酸イオン濃度を測定するよう構成されているときとりわけ有益である。 A sensor device configured to measure the concentration of such an object. This is particularly beneficial when the sensor according to the invention is configured to measure nitrate ion concentration in water.

第一の利点は図6から理解することができる。固体光源は、動作条件の変化のため、発光の波長に大きなシフトを示すかもしれない。このふるまいについては、いくつかはすでに詳述している。検体2に入射した入射光6の中心波長の変動がもたらす不利な結果もすでに説明している。すなわち、吸光度から決定される対象物の濃度が、入射光6の中心波長の小さな変化に対して大きな誤差を示すため、センサ装置の信頼性が低減することである。センサ装置が水中の硝酸イオン濃度を決定するよう構成された例に関して、図3のプロットは、当初の値から波長が少しシフトする(Δλ)することで大きな誤差が導入されることを示している。本発明の一態様に従って、固体発光素子の発した光の波長を安定化させて変動を低減してもよい。しかしながら、波長はなおもいくらかは変動するため、センサ装置の測定する硝酸イオン濃度に誤差が生じる。   The first advantage can be understood from FIG. Solid state light sources may exhibit a large shift in emission wavelength due to changes in operating conditions. Some of this behavior has already been detailed. The disadvantageous result caused by the fluctuation of the center wavelength of the incident light 6 incident on the specimen 2 has already been described. That is, since the concentration of the object determined from the absorbance shows a large error with respect to a small change in the center wavelength of the incident light 6, the reliability of the sensor device is reduced. For an example where the sensor device is configured to determine nitrate ion concentration in water, the plot of FIG. 3 shows that a large error is introduced by a slight wavelength shift (Δλ) from the original value. . According to one embodiment of the present invention, the wavelength of light emitted from the solid state light emitting device may be stabilized to reduce fluctuations. However, since the wavelength still varies somewhat, an error occurs in the nitrate ion concentration measured by the sensor device.

周波数変換素子31を光源30に含ませて、周波数変換光の第2中心波長(λc)が固体発光素子4の発した光の第1中心波長(Λc)より小さくなるようにすると、第2中心周波数の変動は、第1中心周波数のいかなる変動よりも小さくなる。例えば、第1中心周波数がΔΛだけ変動し、Λc が(Λc+ΔΛ)に変化し、周波数変換光が第2中心波長λc≒ Λc/nを有している場合、第2中心波長の変動はΔλ ≒ ΔΛ/nであり、λcは(λc+Δλ)に変化する。例えば、周波数変換がSHGプロセスでありn=2の場合、第2中心周波数の変動は、第1中心周波数の変動の約半分である。 When the frequency conversion element 31 is included in the light source 30 so that the second center wavelength (λ c ) of the frequency converted light is smaller than the first center wavelength (Λ c ) of the light emitted from the solid state light emitting element 4, The variation of the two center frequencies is smaller than any variation of the first center frequency. For example, if the first center frequency varies by ΔΛ, Λ c changes to (Λ c + ΔΛ), and the frequency converted light has the second center wavelength λ c ≈Λ c / n, the second center The variation in wavelength is Δλ≈ΔΛ / n, and λ c changes to (λ c + Δλ). For example, when the frequency conversion is an SHG process and n = 2, the variation of the second center frequency is about half of the variation of the first center frequency.

本発明の他の一態様では、周波数変換素子31が、特定範囲の波長を有する光を優先的に周波数変換するよう構成されている場合、第2中心波長の変動をさらに低減できる(例えば、周波数変換がSHGプロセスである場合、第1中心波長の変動の半分未満まで低減できる)。これは、センサ装置の光源30に周波数変換素子31を含ませることのさらなる利点である。周波数変換素子31は、周波数変換光32のかなりの量が、実質的にλ1 と λ21< λ2)のあいだの波長のみ有して作られるよう構成されてもよい。例えば、波長がλからλのあいだである周波数変換光が、(λ1-0.5nm)と (λ2+0.5nm)のあいだの波長に対して得られる周波数変換光の最大強度の少なくとも1%の強度、好ましくは少なくとも10%の強度を有し、この範囲以外の波長では強度が低減するように、周波数変換素子を構成してもよい。この場合、センサ装置は、検体に入射する入射光6は常にλ1とλ2のあいだの範囲にあるという判明した条件下で動作し、それにより、光源の動作条件に関わらず、対象物の適切な吸光係数に高い信頼性を与える。(λ21)の値は2nm未満でも、1nm未満でも、0.5nm未満でも、または0.1nm未満でもよい。(λ21)の値は小さいことが好ましい。 In another aspect of the present invention, when the frequency conversion element 31 is configured to preferentially frequency convert light having a wavelength in a specific range, the variation of the second center wavelength can be further reduced (for example, the frequency If the conversion is an SHG process, it can be reduced to less than half of the variation of the first center wavelength). This is a further advantage of including a frequency conversion element 31 in the light source 30 of the sensor device. The frequency conversion element 31 may be configured such that a substantial amount of the frequency converted light 32 is produced having only a wavelength substantially between λ 1 and λ 212 ). For example, the frequency-converted light is between the lambda 2 wavelength from lambda 1 is at least the maximum intensity of the resulting frequency converted light to the wavelength of between the (lambda 1 -0.5 nm) and (λ 2 + 0.5nm) The frequency conversion element may be configured to have an intensity of 1%, preferably at least 10%, and to reduce the intensity at wavelengths outside this range. In this case, the sensor device operates under the condition that the incident light 6 incident on the specimen is always in the range between λ 1 and λ 2 , so that regardless of the operating conditions of the light source, Gives high reliability to the appropriate extinction coefficient. The value of (λ 21 ) may be less than 2 nm, less than 1 nm, less than 0.5 nm, or less than 0.1 nm. The value of (λ 21 ) is preferably small.

例えば、周波数変換素子31がSHGプロセスを提供する場合、周波数が二倍になった光のかなりの量は、Λ1とΛ2(ただし、Λ1< Λ2)のあいだの範囲の波長を有する光21からのみ生じるよう、周波数変換素子を構成してもよい。これらの波長を有する光は、SHGプロセスによって、約λ1 ≒ Λ1/2およびλ2 ≒ Λ2/2の波長をそれぞれ有する光に変換される。したがって、光21の第1の中心波長がΛ1より大幅に低い値またはΛ2より大幅に高い値に変動した場合でも、周波数変換光の中心波長はλ1 ≒ Λ1/2およびλ2 ≒ Λ2/2のあいだの範囲以外では大して変動しない。 For example, if the frequency converting element 31 provides an SHG process, a significant amount of light that is doubled in frequency has a wavelength in the range between Λ 1 and Λ 2 (where Λ 12 ). You may comprise a frequency conversion element so that it may arise only from the light 21. FIG. Light having these wavelengths, the SHG process, is converted into light having about λ 1 ≒ Λ 1/2 and λ 2 ≒ Λ 2/2 of the wavelength. Therefore, even when the first center wavelength of the light 21 varies significantly higher than the significantly lower value or lambda 2 than lambda 1, the center wavelength of the frequency converted light λ 1 ≒ Λ 1/2 and lambda 2 ≒ It does not change much except in the range of between the Λ 2/2.

周波数変換素子が適切なλ1とλ2を有するよう構成する一つの方法は、周波数変換プロセスが、λ < λ1またはλ > λ2の波長を有する周波数変換光の発生のために「位相整合」されないことである。「位相整合」とは、周波数変換プロセスにおいて、ポンプ光の光波と周波数変換光とが、周波数変換素子内を伝搬する際、互いにほぼ同位相である状態である。周波数変換プロセスが同位相でないならば、周波数変換光の強度は極めて低い(例えば、周波数変換プロセスが位相整合している場合に得られる強度の10%未満または1%未満である)。 One way to configure the frequency conversion element to have the appropriate λ 1 and λ 2 is that the frequency conversion process is “phase matched” for the generation of frequency converted light having a wavelength of λ <λ 1 or λ> λ 2. It is not to be done. “Phase matching” is a state in which, in the frequency conversion process, the light wave of the pump light and the frequency converted light are substantially in phase with each other when propagating in the frequency conversion element. If the frequency conversion process is not in phase, the intensity of the frequency converted light is very low (eg, less than 10% or less than 1% of the intensity obtained when the frequency conversion process is phase matched).

本発明の一態様によれば、周波数変換が位相整合される波長範囲(例えば、λ1とλ2の値)をさまざまな方法で制御して、適切なλ1およびλ2または適切な(λ21)の値を求めてもよい。適切な方法の第1の例では、周波数変換素子に入射するポンプ光の焦点化の強度を選択して、適切なλ1およびλ2または適切な(λ21)の値を求めてもよい。ポンプ光が平行にコリメートされたビームであるか、あるいは当該ビームの一面または両面においてゆるく焦点化されている場合(すなわち、一または両面におけるポンプ光の収束角が小さい場合)、(λ21)は、ポンプ光がきつく焦点化されている場合(すなわち、一または両面におけるポンプ光の収束角がより大きい場合)に得られる(λ21)よりも小さくてよい。適切な方法の第2の例では、周波数変換素子を通るポンプ光の方向を選択して、適切なλ1およびλ2または適切な(λ21)の値を求める。これは、位相整合がいわゆる「複屈折位相整合」によって得られる周波数変換素子にとりわけ適している。適切な方法の第3の例では、周波数変換素子の構造を選択して、適切なλ1およびλ2または適切な(λ21)の値を求める。例えば、周波数変換素子の長さが増した場合(すなわち、ポンプ光の方向に平行に測られた長さ)、(λ21)の値を減らすことができる。 In accordance with one aspect of the present invention, the wavelength range (eg, the values of λ 1 and λ 2 ) in which the frequency conversion is phase matched is controlled in various ways to provide appropriate λ 1 and λ 2 or appropriate (λ 21 ) may be obtained. In a first example of an appropriate method, the intensity of the focusing of the pump light incident on the frequency conversion element is selected to obtain an appropriate value of λ 1 and λ 2 or an appropriate (λ 2 −λ 1 ). Also good. If the pump light is a collimated collimated beam or is loosely focused on one or both sides of the beam (ie, if the pump light has a small convergence angle on one or both sides), then (λ 21 ) may be smaller than (λ 2 −λ 1 ) obtained when the pump light is tightly focused (ie, when the convergence angle of the pump light on one or both sides is larger). In a second example of a suitable method, the direction of the pump light through the frequency conversion element is selected to determine a suitable λ 1 and λ 2 or a suitable (λ 21 ) value. This is particularly suitable for frequency conversion elements in which phase matching is obtained by so-called “birefringence phase matching”. In a third example of a suitable method, the structure of the frequency conversion element is selected to determine a suitable λ 1 and λ 2 or a suitable (λ 21 ) value. For example, when the length of the frequency conversion element is increased (that is, the length measured parallel to the direction of the pump light), the value of (λ 2 −λ 1 ) can be reduced.

光源30に周波数変換素子を含ませることによるこうした有益な効果の一例を図7にプロットする。図7(a)は、光源30内の固体発光素子4からの発光スペクトルを示す。当該固体発光素子4は、AlyInxGa1-x-yN半導体材料を含むレーザダイオードを有していた。 An example of such a beneficial effect of including a frequency conversion element in the light source 30 is plotted in FIG. FIG. 7A shows an emission spectrum from the solid state light emitting device 4 in the light source 30. The solid state light emitting device 4 had a laser diode containing an Al y In x Ga 1-xy N semiconductor material.

温度制御手段25を固体発光素子4に適用し、レーザダイオードを含むパッケージの温度を25°C ± 0.1°Cに保った。16のスペクトルを、各データ間で垂直オフセット(vertical offsets)した上でプロットする。各スペクトルは、その下のスペクトルよりも、より高い電流がレーザダイオードに供給されて得られた。温度制御手段25が備えられていたけれども、レーザダイオードに供給される電流が増すにつれて、レーザダイオードの発した光の中心波長が大きく変動したのは明らかである。例えば、下端のスペクトル(最小の電流)の中心波長は約438.4 nmであり、上端のスペクトル(最大の電流)の中心波長は約441.0 nmであり、ΔΛ ≒ 2.6 nmの値に相当する。矢印は、レーザに供給される電流が増大する方向を示し、光の中心波長のおおよその傾向を示す。光源30はさらに、周波数変換素子31を備えていた。周波数変換素子31は、レーザダイオードの発した光の位相整合タイプIのSHGを与えるよう構成したβ-BaB2O4の結晶を含んでいた。図7(b)は、図7(a)のスペクトルに対応する、周波数変換素子31で生成された周波数変換光のスペクトルを示す。図7(b)における光の中心波長の変動が、図7(a)における変動に比べて極めて小さいのは明らかである。例えば、下端のスペクトル(最小の電流)の中心波長は約219.3 nmであり、上端のスペクトル(最大の電流)の中心波長は約220.3 nmであり、Δλ≒ 1.0 nmの値に相当する。周波数変換光の波長の変動が有利なほどに小さいのは、周波数変換(Δλ≒ ΔΛ/n、本例ではn = 2)の効果によるものであり、また、この構成では、この特定の周波数変換素子が、波長約440 nmの光を波長約220 nmの光に優先的に変換したからである(より具体的には、Λ1 ≒ 439 nmでありΛ2 ≒ 441 nm; すなわち、λ1 ≒ 219.5 nmでありλ2 ≒ 220.5 nm)。β-BaB2O4の結晶を含む周波数変換素子31を使うととりわけ有利である。これは、そうした周波数変換素子が、SHGプロセスの位相整合により (λ21)の小さな値を与えるよう構成されており、動作条件の変化によりβ-BaB2O4の結晶の温度が変化しても、選ばれた構成に対するλ1およびλ2の値があまり変動しないからである。 The temperature control means 25 was applied to the solid state light emitting device 4, and the temperature of the package including the laser diode was maintained at 25 ° C. ± 0.1 ° C. Sixteen spectra are plotted with vertical offsets between each data. Each spectrum was obtained by supplying a higher current to the laser diode than the spectrum below it. Although the temperature control means 25 was provided, it is clear that the center wavelength of the light emitted from the laser diode has greatly changed as the current supplied to the laser diode increases. For example, the center wavelength of the bottom spectrum (minimum current) is about 438.4 nm, the center wavelength of the top spectrum (maximum current) is about 441.0 nm, which corresponds to a value of ΔΛ≈2.6 nm. The arrow indicates the direction in which the current supplied to the laser increases and indicates the approximate trend of the center wavelength of the light. The light source 30 further includes a frequency conversion element 31. The frequency conversion element 31 included a β-BaB 2 O 4 crystal configured to provide a phase matching type I SHG of the light emitted by the laser diode. FIG. 7B shows a spectrum of the frequency converted light generated by the frequency conversion element 31 corresponding to the spectrum of FIG. It is clear that the fluctuation of the center wavelength of light in FIG. 7B is extremely small compared to the fluctuation in FIG. For example, the center wavelength of the lower end spectrum (minimum current) is about 219.3 nm, the center wavelength of the upper end spectrum (maximum current) is about 220.3 nm, which corresponds to a value of Δλ≈1.0 nm. The reasonably small fluctuation of the wavelength of the frequency-converted light is due to the effect of frequency conversion (Δλ ≒ ΔΛ / n, n = 2 in this example), and in this configuration, this specific frequency conversion This is because the element preferentially converts light having a wavelength of about 440 nm into light having a wavelength of about 220 nm (more specifically, Λ 1 ≈ 439 nm and Λ 2 ≈ 441 nm; that is, λ 1 ≈ 219.5 nm and λ 2 ≒ 220.5 nm). It is particularly advantageous to use a frequency conversion element 31 containing a β-BaB 2 O 4 crystal. This is because such a frequency conversion element is configured to give a small value of (λ 21 ) by phase matching of the SHG process, and the temperature of the β-BaB 2 O 4 crystal changes due to changes in operating conditions. Even so, the values of λ 1 and λ 2 for the chosen configuration do not vary much.

周波数変換を用いて検体2に入射する入射光6を提供することで、動作条件の変化により固体発光素子の発する光の中心波長が変化して信頼性が低減するのを防ぐ。   By providing the incident light 6 incident on the specimen 2 using frequency conversion, it is possible to prevent the reliability of the light from being reduced due to a change in the center wavelength of the light emitted from the solid state light emitting device due to a change in operating conditions.

したがって、周波数変換素子を備えることで、本発明に係るセンサ装置の信頼性が増す。とりわけ、センサ装置の周辺温度のような動作条件が変動する際の信頼性が増す。周波数変換光源を用いることによるこのような利点は、従来技術ではこれまで認識されてこなかったものであり、水中の硝酸イオン濃度を測定するよう構成されたセンサ装置に用いるととりわけ有益である。   Therefore, providing the frequency conversion element increases the reliability of the sensor device according to the present invention. In particular, the reliability when the operating conditions such as the ambient temperature of the sensor device fluctuate increases. This advantage of using a frequency converted light source has not previously been recognized in the prior art and is particularly beneficial when used in sensor devices configured to measure nitrate ion concentration in water.

センサ装置が水中の硝酸イオン濃度を測定するよう構成されており、周波数変換素子31における周波数変換がSHGプロセス(すなわち、n=2)である実施例について、本発明のこの態様に係る改善を図6に見ることができる。図6は、硝酸イオン濃度の誤差の、固体発光素子4の波長のシフトに対する依存を、周波数変換を行わない光源3の固体発光素子4(固体発光素子の波長のシフト=Δλ;実線)と、周波数変換素子31を備えた光源3の固体発光素子4(固体発光素子の波長のシフト=ΔΛ;破線)のそれぞれについて示したものである。図6では、周波数変換素子により、ΔλはΔΛの半分になっている。硝酸イオン濃度の誤差は、SHGプロセスを含む周波数変換素子を備えることにより、およそ半分になる。   For an embodiment in which the sensor device is configured to measure nitrate ion concentration in water and the frequency conversion in the frequency conversion element 31 is an SHG process (ie, n = 2), the improvement according to this aspect of the present invention is illustrated. 6 can be seen. FIG. 6 shows the dependence of the nitrate ion concentration error on the wavelength shift of the solid state light emitting element 4 with respect to the solid state light emitting element 4 of the light source 3 not performing frequency conversion (the solid state light emitting element wavelength shift = Δλ; solid line), This shows each of the solid-state light-emitting elements 4 (wavelength shift of the solid-state light-emitting elements = ΔΛ; broken line) of the light source 3 including the frequency conversion element 31. In FIG. 6, Δλ is half of ΔΛ due to the frequency conversion element. The error in the nitrate ion concentration is approximately halved by providing the frequency conversion element including the SHG process.

光源30が一つ以上の周波数変換素子31を備えて入射光6が周波数変換光を含むようにした構成の第2の利点は、当該光源30は、スペクトル帯域幅が小さい第2の中心波長を有する光を提供する点である。周波数変換光源を用いることによるこうした第2の利点も、従来技術ではこれまで認識されてこなかった。上記の記載および図4からわかるように、これが利点であるのは、対象物(図4の例では硝酸イオン)の濃度に対する吸光度の依存が実質的に線形になり、それにより、製造が容易で、キャリブレーションが容易で、信頼性が高いセンサ装置を提供できるからである。   A second advantage of the configuration in which the light source 30 includes one or more frequency conversion elements 31 and the incident light 6 includes frequency conversion light is that the light source 30 has a second central wavelength with a small spectral bandwidth. It is the point which provides the light which has. This second advantage of using a frequency converted light source has not been recognized in the prior art. As can be seen from the above description and FIG. 4, this is advantageous because the dependence of the absorbance on the concentration of the object (nitrate ions in the example of FIG. 4) is substantially linear, which makes it easier to manufacture. This is because a sensor device that is easy to calibrate and has high reliability can be provided.

上記利点の第一の態様を以下に説明する。固体発光素子4の発した、第1の中心波長(Λc)を有する光のスペクトル帯域幅がb1(波長nm単位で測定)である場合、当該光のスペクトル帯域幅は、Λmin ≒ Λc-b1/2とΛmax≒ Λc+b1/2のあいだの波長となる。周波数変換がSHGプロセスである場合、これらの波長を有する光は、以下のような第2の中心波長λcと約b2のスペクトル帯域幅を有する周波数変換光に変換される。 The first aspect of the above advantages will be described below. When the spectral bandwidth of light having the first central wavelength (Λ c ) emitted from the solid state light emitting device 4 is b 1 (measured in units of wavelength nm), the spectral bandwidth of the light is Λ min ≈Λ c the -b 1/2 and Λ max ≒ Λ c + b 1 /2 wavelengths during the. When the frequency conversion is an SHG process, light having these wavelengths is converted to frequency converted light having a second central wavelength λ c and a spectral bandwidth of about b 2 as follows.

したがって、b2 〜 b1/2であり、周波数変換光のスペクトル帯域幅は、固体発光端子の発した光のスペクトル帯域幅よりも大幅に小さい。一般に、固体発光素子4の発する光の第1の中心波長よりも小さな第2の中心波長を有する周波数変換光を発生させる周波数変換素子31において、第2の中心波長を有する光のスペクトル帯域幅は、第1の中心波長を有する光のスペクトル帯域幅よりも低い。 Thus, a b 2 ~ b 1/2, the spectral bandwidth of the frequency converted light is significantly smaller than the spectral bandwidth of the light emitted in the solid state light emitting terminals. In general, in the frequency conversion element 31 that generates the frequency conversion light having the second center wavelength smaller than the first center wavelength of the light emitted from the solid state light emitting element 4, the spectral bandwidth of the light having the second center wavelength is , Lower than the spectral bandwidth of the light having the first central wavelength.

上記利点の第二の態様は、特定範囲の波長を有する光を優先的に周波数変換するように周波数変換素子を構成するならば、光21のスペクトル帯域幅は、周波数変換素子31によってさらに低減できることである。上記したように、周波数変換素子31は、周波数変換光のかなりの量を、λ1とλ2のあいだの波長だけを有するように発生させるよう構成してもよい。例えば、SHGプロセスを提供する周波数変換素子を、周波数変換光のかなりの量が、Λ1からΛ2の範囲の波長を有する光21のみから発生するよう構成してもよい。これらの波長を有する光は、SHGプロセスによって変換されると、約λ1 ≒ Λ1/2およびλ2 ≒ Λ2/2の波長をそれぞれ有する周波数変換光となる。したがって、第1の中心波長を有する光21のスペクトル帯域幅がΛ2 - Λ1より大幅に大きくても、第2の中心波長を有する光32のスペクトル帯域幅はλ2 - λ1より大幅に大きくはならない。 The second aspect of the above advantage is that the spectrum bandwidth of the light 21 can be further reduced by the frequency conversion element 31 if the frequency conversion element is configured to preferentially frequency convert light having a wavelength in a specific range. It is. As described above, the frequency conversion element 31 may be configured to generate a significant amount of frequency converted light so as to have only a wavelength between λ 1 and λ 2 . For example, a frequency conversion element that provides an SHG process may be configured such that a significant amount of frequency converted light only originates from light 21 having a wavelength in the range of Λ 1 to Λ 2 . Light having these wavelengths, when converted by the SHG process, a frequency converted light having about λ 1 ≒ Λ 1/2 and λ 2 ≒ Λ 2/2 of the wavelength. Therefore, even if the spectral bandwidth of the light 21 having the first central wavelength is significantly larger than Λ 2 −Λ 1 , the spectral bandwidth of the light 32 having the second central wavelength is significantly larger than λ 2 −λ 1. Don't get big.

上記利点の第三の態様は、光21のスペクトル帯域幅は、周波数変換素子31によってさらに低減できることである。これは、任意の周波数の周波数変換の効率は、その波長の光の強度に依存するからである。これは、周波数変換プロセスが、SHGのような非線形光学プロセスを含む場合に当てはまる。SHGの場合、例えば、強度の大きな光の波長(例えば、ガウシアン様スペクトルピークの中心波長ΛGの近く)は、強度の低い光の波長(例えば、ΛG+bG/2またはΛG-bG/2で、bGはガウシアン様スペクトルピークのスペクトル帯域幅)よりも、効率よく変換することができる。その結果、周波数変換光のスペクトル帯域幅は、固体光源4の発した光のスペクトル帯域幅に比べてさらに低減することができる。 A third aspect of the above advantage is that the spectral bandwidth of the light 21 can be further reduced by the frequency conversion element 31. This is because the frequency conversion efficiency of an arbitrary frequency depends on the intensity of light of that wavelength. This is true when the frequency conversion process includes a nonlinear optical process such as SHG. In the case of SHG, for example, the wavelength of light with high intensity (eg, near the center wavelength Λ G of the Gaussian-like spectral peak) is the wavelength of light with low intensity (eg, Λ G + b G / 2 or Λ G -b in G / 2, b G can than the spectral bandwidth) of the Gaussian-like spectral peaks, converted efficiently. As a result, the spectral bandwidth of the frequency converted light can be further reduced as compared with the spectral bandwidth of the light emitted from the solid state light source 4.

光源30に周波数2倍化素子(frequency-doubling element)を備えることによるこうした有益な効果の一例を図8にプロットする。図8(a)は、光源30内の固体発光素子4からの発光スペクトルを示す(これは、上記で図7に関連して説明した光源と同じものである)。図8(b)は、周波数変換素子31で生成された光の発光スペクトルを示す。概算のスペクトル帯域幅をb1およびb2とする。周波数変換素子で発生した光の帯域(b2 ≒ 0.4 nm)は、固体発光素子の発した光の帯域(b1 ≒ 1.2nm)に比べて大幅に狭い。この場合、レーザは約440 nmの波長を有する光を発したが、帯域は、多くの可視および紫外波長でのレーザダイオード発光に典型的なものである。 An example of such a beneficial effect by providing the light source 30 with a frequency-doubling element is plotted in FIG. FIG. 8A shows an emission spectrum from the solid state light emitting device 4 in the light source 30 (this is the same as the light source described above with reference to FIG. 7). FIG. 8B shows an emission spectrum of the light generated by the frequency conversion element 31. Let b 1 and b 2 be approximate spectral bandwidths. The band of light generated by the frequency conversion element (b 2 ≈0.4 nm) is significantly narrower than the band of light emitted by the solid state light emitting element (b 1 ≈1.2 nm). In this case, the laser emitted light having a wavelength of about 440 nm, but the band is typical for laser diode emission at many visible and ultraviolet wavelengths.

本発明のさらなる態様では、一つ以上の補助的な光源を任意でセンサ装置に備え、これらを用いて、システムおよび検体を通る一つ以上の異なる波長を有する光の透過率を測定してもよい。これらの補助的な光源は、240 nmより大きな波長を含む任意の波長を有する光を発してもよい。上記一つ以上の補助的な光源の発する光の測定透過率を用いて、対象物1の濃度が、検体を通過する入射光6(つまり、光源3または30の発した光の一部またはすべて)の測定透過率から決定される際の精度を向上させてもよい。一つの補助的な光源40を備えるセンサ装置を図9に示す。図9に示すセンサ装置は、図5に示すセンサ装置と共通の特徴をいくつか有する。二つのセンサ装置に共通の特徴は、以下の記載では同じ番号を与え、再度説明することはしない。好ましい実施例では、光源40は固体発光素子41、例えばLEDまたはレーザダイオードを備えている。光源40は、第1の補助的中心波長を有する光を発する。光源40は、温度制御手段42および/または温度検知手段43を備えてもよい。   In a further aspect of the invention, one or more auxiliary light sources are optionally provided in the sensor device, which can be used to measure the transmission of light having one or more different wavelengths through the system and the analyte. Good. These auxiliary light sources may emit light having any wavelength, including wavelengths greater than 240 nm. Using the measured transmittance of the light emitted from the one or more auxiliary light sources, the concentration of the object 1 is such that the incident light 6 passing through the specimen (that is, part or all of the light emitted from the light source 3 or 30). ) May be improved in accuracy when determined from the measured transmittance. A sensor device with one auxiliary light source 40 is shown in FIG. The sensor device shown in FIG. 9 has some features in common with the sensor device shown in FIG. Features common to the two sensor devices are given the same numbers in the following description and will not be described again. In the preferred embodiment, the light source 40 comprises a solid state light emitting device 41, such as an LED or a laser diode. The light source 40 emits light having a first auxiliary center wavelength. The light source 40 may include a temperature control unit 42 and / or a temperature detection unit 43.

補助的光源40の発した第1の補助的中心波長を有する光の一部またはすべてが、入射光49として検体2に入射する。当該光は検体および任意の窓10と11を通って伝搬し、透過光の強度が第3光検出手段46によって決定される。入射光49の強度を、入射光49の強度に比例する光の強度を受け取る第4光検出手段47を用いて、任意で部分反射ミラー48のような光学素子も介して、決定してもよい。第3光検出手段46と補助的光源40を合わせたものを、ここでは補助検知素子とも記載する。   Part or all of the light having the first auxiliary center wavelength emitted from the auxiliary light source 40 enters the specimen 2 as incident light 49. The light propagates through the specimen and the arbitrary windows 10 and 11, and the intensity of the transmitted light is determined by the third light detection means 46. The intensity of the incident light 49 may be determined, optionally via an optical element such as a partial reflection mirror 48, using fourth light detection means 47 that receives light intensity proportional to the intensity of the incident light 49. . A combination of the third light detection means 46 and the auxiliary light source 40 is also described herein as an auxiliary detection element.

例えば、一つ以上の補助的波長を有する光の透過率を用いて、入射光6の透過率に影響するかもしれない検体またはシステムの性質を決定してもよい。そうした性質としては、検体の濁度(光散乱)、検体中の他のイオンまたは分子(例えば、有機分子)の濃度、または窓10および/または11の清潔度(すなわち、一つ以上のTiの値を決定するため)が挙げられる。それから、このデータを用いて、検体2中の対象物1による吸光度の値をより正確に計算できることによって、より正確に対象物1の濃度を決定してもよい。上記データを用いて、検体の第二の性質を決定してもよく、この第二の性質はセンサの結果として出力されてもよい(例えば、検体中の対象物以外のイオンまたは分子の濃度)。補助的光源は、任意の数だけ備えてよい。 For example, the transmittance of light having one or more auxiliary wavelengths may be used to determine the nature of the analyte or system that may affect the transmittance of incident light 6. Such properties include turbidity of the analyte (light scattering), concentration of other ions or molecules (eg, organic molecules) in the analyte, or cleanliness of windows 10 and / or 11 (ie, one or more Ti ). To determine the value of). Then, the concentration of the target 1 may be determined more accurately by using this data to calculate the absorbance value of the target 1 in the sample 2 more accurately. The above data may be used to determine a second property of the analyte, which may be output as a sensor result (eg, concentration of ions or molecules other than the object in the analyte). . Any number of auxiliary light sources may be provided.

例えば、センサ装置が水中の硝酸濃度を測定するよう構成されている場合、250 nmから1000 nm(好ましくは250 nmから700 nm)の第1の補助的中心波長を有する第1の補助的光源を備えさせてもよい。第1の補助的中心波長を有する光の測定透過率を用いて、硝酸イオンによる吸光度を入射光6の透過率(P2/P1)から決定する際の精度を高めてもよい。これは、窓10および11の一方または両方にできた汚れ層(contaminant layer)での吸光や、検体2の濁度による光の散乱や、検体2中の有機分子による吸光のような現象を考慮することを含んでもよい。 For example, if the sensor device is configured to measure nitric acid concentration in water, a first auxiliary light source having a first auxiliary central wavelength of 250 nm to 1000 nm (preferably 250 nm to 700 nm) is used. It may be provided. By using the measured transmittance of light having the first auxiliary center wavelength, the accuracy in determining the absorbance due to nitrate ions from the transmittance (P 2 / P 1 ) of the incident light 6 may be increased. This takes into account phenomena such as light absorption in the contaminant layer formed in one or both of the windows 10 and 11, light scattering due to the turbidity of the specimen 2, and light absorption by organic molecules in the specimen 2. May include.

他の例では、200 nmから240 nmの第1の補助的中心波長を有する第1の補助的光源を備えさせてもよい。第1の補助的中心波長を有する光の測定透過率を用いて、硝酸イオンによる吸光度を入射光6の透過率から検体2中の亜硝酸(NO2 -)による吸光を考慮して決定する際の精度を高めてもよい。 In another example, a first auxiliary light source having a first auxiliary center wavelength between 200 nm and 240 nm may be provided. Using the measured transmittance of light having the first auxiliary center wavelength to determine the absorbance due to nitrate ions in consideration of the absorbance due to nitrous acid (NO 2 ) in the specimen 2 from the transmittance of incident light 6 The accuracy of the may be increased.

光源3または光源30の発した光5の波長および検体2を通る光路の長さ7を選択して、対象物による吸光度が好ましくは0.05を超え2未満であるようにしてもよい。   The wavelength of the light 5 emitted from the light source 3 or the light source 30 and the length 7 of the optical path passing through the specimen 2 may be selected so that the absorbance by the object is preferably more than 0.05 and less than 2.

好ましくは、吸光度は2以下である。これは、この値を上回るならば、濃度に伴う吸光度の上昇が、吸光断面(absorption cross-sections)の重なりにより極めて非線形になり、測定の精度を落とすかもしれないためである。より好ましくは、吸光度は1.5以下である。それゆえ、光5の最適な光路の長さLと波長を選択して、センサ装置が分析する対象物の最大濃度に対して吸光度が約1.5であるようにしてもよい。   Preferably, the absorbance is 2 or less. This is because if this value is exceeded, the increase in absorbance with concentration may become very non-linear due to the overlap of absorption cross-sections, which may reduce the accuracy of the measurement. More preferably, the absorbance is 1.5 or less. Therefore, the optimum optical path length L and wavelength of the light 5 may be selected so that the absorbance is about 1.5 with respect to the maximum concentration of the object to be analyzed by the sensor device.

対象物の最小気体濃度や、最小または最大希望光路長のような付加的な考慮事項(additional considerations)を用いて、波長と光路長の適切な組み合わせをさらに特定することができる。   Additional considerations such as the minimum gas concentration of the object and the minimum or maximum desired optical path length can be used to further identify an appropriate combination of wavelength and optical path length.

一例として、ヒトが摂取することが意図された水の硝酸イオン濃度を測定して飲んでも安全かどうか決定するのに用いるセンサ装置を検討する。世界保健機関(WHO)が定めた、飲用水中の硝酸イオンの最大安全濃度の上限は50 mg/litre NO3であるので、上記センサ装置は、0 mg/litre NO3 -から100 mg/litre NO3 -の範囲で正確な測定値を出すことが期待される。水流に対する抵抗が小さいことや、窓の清掃が簡単であること、その一方でコンパクトさを維持するといった実用上の考慮事項から、光路長はL=5 mmが好ましい。光路長がL=5 mmならば、ランベルト・ベールの法則、および水中の硝酸イオンの吸光係数の既知の波長依存性を用いて、適切な波長を推定できる。この場合、適切な波長は、c = 100 mg/litreでありL = 5 mmであるときにA = ε.c.L ≒ 1.5となるような吸光係数εを有する。したがって、上記センサ装置は、中心波長約225 nmとするのが適切な選択肢である。 As an example, consider a sensor device that is used to determine whether it is safe to drink by measuring the nitrate concentration of water intended for human consumption. The upper limit of the maximum safe concentration of nitrate ion in drinking water determined by the World Health Organization (WHO) is 50 mg / litre NO 3 , so the sensor device can be used from 0 mg / litre NO 3 - to 100 mg / litre NO 3 - is expected to produce accurate measurements in the range. In view of practical considerations such as low resistance to water flow, easy cleaning of windows, while maintaining compactness, the optical path length is preferably L = 5 mm. If the optical path length is L = 5 mm, an appropriate wavelength can be estimated using the Lambert-Beer law and the known wavelength dependence of the absorption coefficient of nitrate ions in water. In this case, a suitable wavelength has an extinction coefficient ε such that A = ε.cL≈1.5 when c = 100 mg / litre and L = 5 mm. Therefore, a suitable choice for the sensor device is a center wavelength of about 225 nm.

なお、特定の濃度範囲には、光路長や波長として適切なさまざまな選択肢がある。上記の例は、スペクトル帯域幅が2 nm未満である光5を想定している。光5がより大きなスペクトル帯域幅を有するなら、スペクトル帯域幅が光5に対する吸光係数全体に与える影響を考慮してもよい。   In the specific concentration range, there are various options suitable for the optical path length and wavelength. The above example assumes light 5 with a spectral bandwidth of less than 2 nm. If the light 5 has a larger spectral bandwidth, the effect of the spectral bandwidth on the overall extinction coefficient for the light 5 may be considered.

本発明の諸態様に係るセンサ装置は、従来技術に記載されたセンサ技術、とりわけ、水中の硝酸イオン濃度を測定するセンサ向けのセンサ技術に対して大きな利点を提供するものである。   The sensor device according to aspects of the present invention provides significant advantages over the sensor technology described in the prior art, particularly for sensor technology for measuring nitrate ion concentration in water.

固体発光素子を用いて水中の硝酸イオン濃度をモニタリングするセンサは、これまで従来技術にはなかった。本明細書に教示したように固体発光素子を用いることで、UVランプ(例えば、キセノンランプや重水素ランプ)とバンドパスフィルタを組み合わせて用いる従来技術のセンサに比べて大きな改良がもたらされる。例えば、本発明に係る硝酸イオンセンサは、従来技術のセンサに比べ、コストが低く、サイズが小さく、堅牢さが増し、信頼性が増し、消費電力が低減されている。さらに、本発明に開示した、固体光源の発生させた光の波長を制御またはモニタリングするのに指標を用いることは、dε(λ)/dλが大きな正の値または大きな負の値である対象物の濃度を測定するよう構成されたセンサ装置の信頼性の欠如を解決するうえで重要である。この問題は、本明細書において初めて認識されたものであり、固体発光素子の発光波長が素子の動作条件に依存してもともと不安定であるため水中の硝酸イオン濃度を測定するのが難しいという特有の難題にとって重要なものである。スペクトル帯域幅が狭い固体発光素子(例えば、レーザダイオード)を用いることで、濃度に対する吸光度の依存の線形性は大幅に改善され、これによって、より精度が高くより製造が容易なセンサをさらに提供することができる。   Until now, there has not been a sensor for monitoring nitrate ion concentration in water using a solid state light emitting device. The use of solid state light emitters as taught herein provides a significant improvement over prior art sensors that use a combination of a UV lamp (eg, a xenon lamp or deuterium lamp) and a bandpass filter. For example, a nitrate ion sensor according to the present invention is lower in cost, smaller in size, increased in robustness, increased in reliability, and reduced in power consumption as compared with a sensor of the prior art. Further, using the indicator to control or monitor the wavelength of the light generated by the solid state light source disclosed in the present invention is such that dε (λ) / dλ is a large positive value or a large negative value. This is important in resolving the lack of reliability of sensor devices that are configured to measure the concentration of water. This problem has been recognized for the first time in this specification, and it is difficult to measure the concentration of nitrate ions in water because the emission wavelength of a solid state light emitting device is inherently unstable depending on the operating conditions of the device. It is important for the difficult problem. By using a solid state light emitting device (eg, a laser diode) with a narrow spectral bandwidth, the linearity of absorbance dependence on concentration is greatly improved, thereby further providing a more accurate and easier to manufacture sensor. be able to.

センサ装置用の光源に周波数変換素子を用いることで、本発明の諸利点をさらに増すことができる。とりわけ、固体発光素子の波長の変動によって生じる誤差および信頼性の欠如を減らすことができるという予期せぬ利点や、スペクトル帯域幅をさらに減らして濃度に対する吸光度の依存性の線形性を極めて高くするという予期せぬ利点である。粒子を利用して吸光を測定する従来技術のシステム(US20130015362A1)は、SHGを用いて吸光測定用の光を提供することを含んでいる。しかしながら、この従来技術に係るセンサ装置は、水中の硝酸イオン濃度を測定するのには不向きである。とりわけ、US20130015362A1に係る装置は、周波数倍加によって発生させた光の波長または発光のスペクトル帯域幅に対して何の制御も行わない。これらの特徴の双方とも、本明細書において、実行可能な硝酸イオンセンサ装置の重要な諸態様であることが示されている。   By using the frequency conversion element as the light source for the sensor device, the advantages of the present invention can be further increased. Among other things, the unexpected advantage of reducing errors and lack of reliability caused by fluctuations in the wavelength of the solid state light emitting device, and further reducing the spectral bandwidth to make the linearity of the absorbance dependence on concentration extremely high This is an unexpected advantage. A prior art system for measuring absorbance using particles (US20130015362A1) involves using SHG to provide light for absorbance measurement. However, the sensor device according to this prior art is not suitable for measuring the nitrate ion concentration in water. In particular, the device according to US20130015362A1 does not perform any control over the wavelength of light generated by frequency doubling or the spectral bandwidth of light emission. Both of these features are shown herein to be important aspects of a viable nitrate sensor device.

水中の硝酸イオン濃度を測定する新しい低コストのセンサ技術が、長年に渡って求められてきた。本発明以前には、少なくとも十五年間、本技術分野では大きな進捗は何もなかった。本発明はこの求めに応えるものであり、より広範囲な用途で硝酸イオン検知を実用することを可能にするものである。そうした用途としては、安全でない飲用水を、使用場所で鑑定すること(例えば、井戸水や市の水処理設備の水に対して)、広範囲の環境モニタリング、養殖食糧生産や水耕食糧生産における生産性の向上、排水処理が挙げられる。   New low-cost sensor technology for measuring nitrate ion concentration in water has been sought for many years. Prior to the present invention, there has been no significant progress in the art for at least fifteen years. The present invention meets this demand and makes it possible to put nitrate ion detection into practical use in a wider range of applications. Such uses include identifying unsafe drinking water at the site of use (for example, for well water or city water treatment facilities), extensive environmental monitoring, and productivity in aquaculture and hydroponic food production. Improvement and wastewater treatment.

第1の実施例
本発明の第1の実施例は、飲料水中の硝酸イオンの濃度を検出するためのセンサ装置である。上記センサ装置は、波長が240nm未満の光を放射する固体発光素子を使用する。上記センサ装置は、最大50mg/litreまでNO3 -を測定するように構成されている。
1st Example The 1st Example of this invention is a sensor apparatus for detecting the density | concentration of the nitrate ion in drinking water. The sensor device uses a solid light emitting element that emits light having a wavelength of less than 240 nm. The sensor device is configured to measure NO 3 up to 50 mg / litre.

上記センサ装置の概略図が図2に示される。上記センサ装置は、光源3、検体2、および検体処理手段12(サンプル処理手段とも称される)を備える。光源3は、光21を放射する固体発光素子4を備える。検体処理手段12は、第1窓10および第2窓11を備える。光21の全部または一部が、放射光5として光源3から放射される。光5の全部または一部は、入射光6として第1窓10に入射する。入射光6は、第1窓10、検体2、そして第2窓11を伝播する。透過光8は、第1光検出手段9に入射する。第1窓10および第2窓11は、光6に対してほぼ透明である。上記センサ装置は、部分反射ミラー22を備えてよい。部分反射ミラー22は、光5の一部を反射して、その光5の一部を付加的に設けた第2光検出手段20に向ける。コントローラ23は、第1光検出手段9から入力を受ける。コントローラ23は、第2光検出手段20から入力を受けてもよい。コントローラ23は、光源3の運転を制御する。   A schematic diagram of the sensor device is shown in FIG. The sensor device includes a light source 3, a sample 2, and a sample processing unit 12 (also referred to as sample processing unit). The light source 3 includes a solid light emitting element 4 that emits light 21. The sample processing means 12 includes a first window 10 and a second window 11. All or part of the light 21 is emitted from the light source 3 as the emitted light 5. All or part of the light 5 enters the first window 10 as incident light 6. Incident light 6 propagates through the first window 10, the specimen 2, and the second window 11. The transmitted light 8 enters the first light detection means 9. The first window 10 and the second window 11 are almost transparent to the light 6. The sensor device may include a partial reflection mirror 22. The partial reflection mirror 22 reflects a part of the light 5 and directs the second light detection means 20 additionally provided with a part of the light 5. The controller 23 receives an input from the first light detection means 9. The controller 23 may receive an input from the second light detection means 20. The controller 23 controls the operation of the light source 3.

固体発光素子4は、中心波長が200nmから240nmの光を放射するLEDであってよい。例えば、AlyGa1-yN(0≦y≦1)半導体材料を含むLEDは、中心波長が約210nmから240nmの光を放射する。好ましくは、上記LEDは、pドープされたAlaGa1-aN層(0≦a≦1)とnドープされたAlbGa1-bN層(0≦b≦1)の間に設けられたAlyGa1-yN層(0.6≦y≦1)を含む光放射領域を備える。他の例では、固体発光素子4は、窒化ホウ素またはAlcGadB1-c-dN(0≦c≦1;0≦d≦1)を有してもよい。第1の実施例におけるその他の例として、固体発光素子4は、中心波長が約225nmの光21を放射する、AlyGa1-yN半導体材料を有する。上記光源から放射される光の光強度POは、10μmよりも大きいことが好ましい。さもなければ、第1光検出手段 の感度を高くする必要がある。この例において、光源3は、図2に示される、波長安定素子24またはフィルタ26を備えていない。 The solid state light emitting device 4 may be an LED that emits light having a central wavelength of 200 nm to 240 nm. For example, an LED including Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1) semiconductor material emits light having a central wavelength of about 210 nm to 240 nm. Preferably, the LED is provided between a p-doped Al a Ga 1-a N layer (0 ≦ a ≦ 1) and an n-doped Al b Ga 1-b N layer (0 ≦ b ≦ 1). A light emitting region including the Al y Ga 1-y N layer (0.6 ≦ y ≦ 1). In another example, the solid state light emitting device 4 may include boron nitride or Al c Ga d B 1-cd N (0 ≦ c ≦ 1; 0 ≦ d ≦ 1). As another example of the first embodiment, the solid state light emitting device 4 includes an Al y Ga 1-y N semiconductor material that emits light 21 having a center wavelength of about 225 nm. The light intensity PO of light emitted from the light source is preferably greater than 10 μm. Otherwise, it is necessary to increase the sensitivity of the first light detection means. In this example, the light source 3 does not include the wavelength stabilizing element 24 or the filter 26 shown in FIG.

第1窓10および第2窓11は、入射光6に対して10%から100%の透過率を有するのが好ましい(この例では、波長は約225nm)。第1窓10および第2窓11は、UV溶融石英(UVFS)を含んでよい。UV溶融石英は、波長λ=225nmにおいて90%以上の透過率を有する。第1窓10および第2窓11の他の好適な材料には、水晶、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素重合体、フッ化エチレンプロピレン(FEP)、CYTOP、およびポリメタクリル酸メチル(PMMA)が含まれる。入射光6は、第1窓10および第2窓11に対してほぼ垂直に通過する。検体2内を伝播する光の距離Lは0.1mmから100mmであり、好ましくは0.5mmから20mmであり、最も好ましいのは約1mmから約10mmである。検体処理手段12は検体入口および検体出口を有し、検体入口と検体出口との間に第1窓10および第2窓11が設けられる。これにより、第1窓10と第2窓11との間を伝播する光を通過する検体の連続的な流れがもたらされ、図17(a)に示される直列センサが提供される。例えば、検体処理手段12は、第1窓10および第2窓11を備えたチューブ(例えば、PVCまたは他のポリマー、もしくは、ステンレス鋼または他の合金)であってよい。あるいは、検体処理手段12として、図17(b)に示される液浸センサを用いてもよい。   The first window 10 and the second window 11 preferably have a transmittance of 10% to 100% with respect to the incident light 6 (in this example, the wavelength is about 225 nm). The first window 10 and the second window 11 may include UV fused silica (UVFS). UV fused silica has a transmittance of 90% or more at a wavelength λ = 225 nm. Other suitable materials for the first window 10 and the second window 11 include quartz, polytetrafluoroethylene (PTFE), fluoropolymer, fluorinated ethylene propylene (FEP), CYTOP, and polymethyl methacrylate (PMMA). Is included. Incident light 6 passes substantially perpendicular to the first window 10 and the second window 11. The distance L of light propagating in the specimen 2 is 0.1 mm to 100 mm, preferably 0.5 mm to 20 mm, and most preferably about 1 mm to about 10 mm. The sample processing means 12 has a sample inlet and a sample outlet, and a first window 10 and a second window 11 are provided between the sample inlet and the sample outlet. This provides a continuous flow of analyte that passes through the light propagating between the first window 10 and the second window 11, providing the series sensor shown in FIG. 17 (a). For example, the specimen processing means 12 may be a tube (for example, PVC or other polymer, or stainless steel or other alloy) provided with a first window 10 and a second window 11. Alternatively, an immersion sensor shown in FIG. 17B may be used as the sample processing unit 12.

入射光6は、光強度P1で第1窓10に入射する。透過光8は、光強度P2で第1光検出手段9に入射する。光検出手段は、入射光に比例した電気信号を生成するフォトダイオードを含んでよい。例えば、第1光検出手段9は、シリコンベースのフォトダイオード、AlyGa1-yNベースのフォトダイオード(0≦y≦1)、またはGaPベースのフォトダイオードを含んでよい。あるいは、第1光検出手段9は、シリコンベースのアバランシュダイオード、光電子増倍管、またはマイクロ光電子増倍管を含んでよい。上記フォトダイオードは、吸収光に応じてフォトダイオードにより生じた電位差が出力として監視されるように電気回路として構成されてもよい。他の例では、上記フォトダイオードは、吸収光に応じてフォトダイオードにより生じた電流値が出力として監視されるように電気回路として構成されてもよい。上記出力は、無線手段または有線手段によりコントローラ23に入力される。コントローラ23は、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサを含む。 Incident light 6 enters the first window 10 with a light intensity P 1 . Transmitted light 8 is incident at a light intensity P 2 to the first light detecting means 9. The light detection means may include a photodiode that generates an electrical signal proportional to the incident light. For example, the first light detection means 9 may include a silicon-based photodiode, an Al y Ga 1-y N-based photodiode (0 ≦ y ≦ 1), or a GaP-based photodiode. Alternatively, the first light detection means 9 may include a silicon-based avalanche diode, a photomultiplier tube, or a micro photomultiplier tube. The photodiode may be configured as an electric circuit such that a potential difference generated by the photodiode in response to absorbed light is monitored as an output. In another example, the photodiode may be configured as an electric circuit so that a current value generated by the photodiode in response to absorbed light is monitored as an output. The output is input to the controller 23 by wireless means or wired means. The controller 23 includes a microcontroller or a microprocessor.

次に、コントローラ23は、第1光検出手段9からの入力を用いて検体2中の硝酸イオン濃度を決定する。好適な計算方法の一例は以下のとおりである。較正プロセスにおいて、硝酸イオン濃度が既知である検体(好ましくは、硝酸イオン濃度が0の消イオン水)を測定する。この測定において、第1光検出手段9により検出された透過光8の光強度はP2'である。次に、Beer-Lambertの法則、既知の定数ε(波長225nmに対する硝酸イオンの場合、≒1870 litres.mol-1,cm-1)およびL(10mm)に従って、第2光検出手段により検出された光強度P2に基づいて未知の検体の硝酸イオン濃度が計算される。 Next, the controller 23 determines the nitrate ion concentration in the sample 2 using the input from the first light detection means 9. An example of a suitable calculation method is as follows. In the calibration process, an analyte having a known nitrate ion concentration (preferably deionized water having a nitrate ion concentration of 0) is measured. In this measurement, the light intensity of the transmitted light 8 detected by the first light detection means 9 is P 2 ′. Next, it was detected by the second light detection means according to Beer-Lambert's law, a known constant ε (in the case of nitrate ion for wavelength 225 nm, ≈1870 litres.mol-1, cm-1) and L (10 mm) Based on the light intensity P 2 , the nitrate ion concentration of the unknown specimen is calculated.

この計算は、記憶されていたε値およびP2'値を用いてコントローラ23により実行される。これらε値およびP2'値は、個々のセンサ装置の適性値である。上記の較正ステップは、代表的な装置に対して一回のみ実施されてよく、その較正結果は同様のセンサにも適用される。上記較正ステップは、未知の検体に対して上記センサが初めて使用される場合に実施されてよい。あるいは、上記較正ステップは、所望の回数だけ実施されてよい。 This calculation is executed by the controller 23 using the stored ε value and P 2 'value. These ε values and P 2 ′ values are suitability values of the individual sensor devices. The above calibration steps may be performed only once for a typical device, and the calibration results apply to similar sensors. The calibration step may be performed when the sensor is used for the first time on an unknown analyte. Alternatively, the calibration step may be performed as many times as desired.

LEDは、典型的には10nm〜20nmのスペクトル帯域幅の光を放射する。その結果、上述したセンサ装置は、濃度に対して非線形の吸光度反応を有する(図4)。それゆえ、少なくとも上記センサ装置が動作する範囲をカバーする硝酸イオン濃度を有する複数の参照サンプルを測定するために上記センサ装置が使用される場合に、較正処理の使用は有利となる。次に吸光度に対する硝酸イオン濃度のおよその数学的依存性が、決定され、上記計算を改善するために用いられる。その計算は、例えばコントローラ23にて実行される。続いて、検体2中の硝酸イオン濃度がC=f(A)から計算される。f( )は、吸光度に対する濃度の数学的依存性である。較正カーブもまた、光源3から放射された光の既知のスペクトル、および波長ε(λ)における硝酸イオンの吸光度係数についての既知の変量から推定される。   LEDs typically emit light with a spectral bandwidth of 10 nm to 20 nm. As a result, the sensor device described above has a non-linear absorbance response with respect to the concentration (FIG. 4). Therefore, the use of a calibration process is advantageous when the sensor device is used to measure a plurality of reference samples having nitrate ion concentrations that cover at least the range in which the sensor device operates. The approximate mathematical dependence of nitrate ion concentration on absorbance is then determined and used to improve the calculation. The calculation is executed by the controller 23, for example. Subsequently, the nitrate ion concentration in the specimen 2 is calculated from C = f (A). f () is the mathematical dependence of concentration on absorbance. The calibration curve is also estimated from the known spectrum of the light emitted from the light source 3 and the known variables for the absorbance coefficient of nitrate ions at the wavelength ε (λ).

あるいは、光源3と検体処理手段12との間に部分反射ミラー22が設けられてもよい。部分反射ミラー22は、波長225nmの光に対して1%から70%の反射率を有する。部分反射ミラー22は、波長225nmの光に対して10%から50%の反射率を有するのが好ましい。部分反射ミラー22が反射した光は第2光検出手段20に入射する。部分反射ミラー22を透過した光の光強度は、部分反射ミラー22へ入射した光の光強度の50%から90%であるのが好ましい。部分反射ミラー22を透過した光の光強度をP1、部分反射ミラー22で反射した光の光強度をPRとする(図2参照)。第1光検出手段9および第2光検出手段20は、入射光に比例した電気信号を生成するフォトダイオードであってよい。例えば、シリコンベースのフォトダイオードである(上記の第1光検出手段9と同様の設計が考慮される)。P1/PR値は一定であり、それゆえ、測定されたPRが、入射光6の光強度における変動を、測定し、把握するのに用いられる。入射光6の光強度における上記変動は、対象物による吸光度を計算するうえで、光源3により放射される光の光強度が変動することにより生ずる。例えば、検体が硝酸イオン濃度0の消イオン水である場合、第2光検出手段20へ入射する光の光強度はPR'であり、第1光検出手段9へ入射する光の光強度はP2'である。次に、未知の検体2中の硝酸イオン濃度が次式に基づいて計算される。この式は光源3における光強度の変動を説明する。 Alternatively, a partial reflection mirror 22 may be provided between the light source 3 and the sample processing means 12. The partial reflection mirror 22 has a reflectance of 1% to 70% with respect to light having a wavelength of 225 nm. The partial reflection mirror 22 preferably has a reflectance of 10% to 50% with respect to light having a wavelength of 225 nm. The light reflected by the partial reflection mirror 22 enters the second light detection means 20. The light intensity of the light transmitted through the partial reflection mirror 22 is preferably 50% to 90% of the light intensity of the light incident on the partial reflection mirror 22. Let P 1 be the light intensity of the light transmitted through the partial reflection mirror 22, and PR be the light intensity of the light reflected by the partial reflection mirror 22 (see FIG. 2). The first light detection means 9 and the second light detection means 20 may be photodiodes that generate an electrical signal proportional to the incident light. For example, it is a silicon-based photodiode (a design similar to the first photodetection means 9 is considered). The P 1 / P R value is constant and therefore the measured PR is used to measure and grasp the variation in the light intensity of the incident light 6. The above-described variation in the light intensity of the incident light 6 is caused by a variation in the light intensity of the light emitted from the light source 3 in calculating the absorbance by the object. For example, when the specimen is deionized water having a nitrate ion concentration of 0, the light intensity of light incident on the second light detection means 20 is PR ′, and the light intensity of light incident on the first light detection means 9 is P 2 '. Next, the nitrate ion concentration in the unknown specimen 2 is calculated based on the following equation. This equation explains the fluctuation of the light intensity in the light source 3.

上記計算はコントローラ23にて実行される。ここで詳しく説明した複数較正サンプル法は、同じようにこの精度の高い吸光度の値を用いて、部分反射ミラー22およびフォトダイオード20との組み合わせで使用される。 The above calculation is executed by the controller 23. The multiple calibration sample method described in detail here is also used in combination with the partially reflective mirror 22 and the photodiode 20 using this highly accurate absorbance value.

また、センサ装置は、光源3が放射した光の波長を安定させる手段を備えてよい。この構成は、固体発光素子4と熱的に接触する温度制御素子25を付加的に用いることで実現できる。温度制御素子25は、予想される動作条件の全範囲にわたって固体発光素子4の温度が所定の範囲内に維持されるように動作する(例えば、±1℃)。これにより、固体発光素子4から放射される光の波長の変動が抑えられる。温度制御素子はペルティエ部材であってよい。このペルティエ部材は、一方の面が固体発光素子4と熱的に接触し、他方の面がヒートシンクと熱的に接触している。これにより、固体発光素子4およびヒートシンクは、ペルティエ部材を介する以外は実質的に互いに熱的に分離されている。他の例では、温度制御素子は、ファン、または液体熱交換部材(例えば、安定温度を維持するために、固体発光素子4の方向へ、または固体発光素子4から離れる方向へ熱を移動させるために検体の流れを用いる。)を含んでよい。あるいは、温度検知手段27と固体発光素子4とを熱的に接触させてもよい。コントローラ23は、温度検知手段27からの出力を用いてペルティエ部材の正確な動作条件を決定する。これにより固体発光素子4の温度が所定の範囲内に維持される。他の例では、別の電気回路(例えばPID回路)が、温度検知手段の出力を使用して、ペルティエ部材の正確な動作条件を決定する。温度検知手段は、サーミスタ、熱電対、または半導体温度センサであってよい。   Further, the sensor device may include means for stabilizing the wavelength of light emitted from the light source 3. This configuration can be realized by additionally using a temperature control element 25 that is in thermal contact with the solid state light emitting element 4. The temperature control element 25 operates so that the temperature of the solid state light emitting element 4 is maintained within a predetermined range over the entire range of expected operating conditions (for example, ± 1 ° C.). Thereby, the fluctuation | variation of the wavelength of the light radiated | emitted from the solid light emitting element 4 is suppressed. The temperature control element may be a Peltier member. This Peltier member has one surface in thermal contact with the solid state light emitting device 4 and the other surface in thermal contact with the heat sink. Thereby, the solid light emitting element 4 and the heat sink are substantially thermally separated from each other except through the Peltier member. In other examples, the temperature control element is a fan or liquid heat exchange member (eg, to move heat toward or away from the solid state light emitting element 4 to maintain a stable temperature). The flow of the specimen is used. Alternatively, the temperature detecting means 27 and the solid light emitting element 4 may be brought into thermal contact. The controller 23 uses the output from the temperature detection means 27 to determine the exact operating condition of the Peltier member. Thereby, the temperature of the solid state light emitting device 4 is maintained within a predetermined range. In another example, another electrical circuit (eg, a PID circuit) uses the output of the temperature sensing means to determine the exact operating condition of the Peltier member. The temperature detection means may be a thermistor, a thermocouple, or a semiconductor temperature sensor.

センサ装置が温度検知手段27を備えている場合、温度制御手段25を使用して、または温度制御手段25を使用することなく、固体発光素子4により放射された光の中心波長を間接的に推定するために固体発光素子4または光源3の温度を用いてよい。例えば、計算で使用する適正な吸光度係数を正確に推定するために固体発光素子4から放射された光の波長の温度依存性(既知)を用いてよく、これにより吸光度から硝酸イオンの濃度が決定される。   When the sensor device includes the temperature detection means 27, the center wavelength of the light emitted by the solid state light emitting device 4 is indirectly estimated using the temperature control means 25 or without using the temperature control means 25. In order to do so, the temperature of the solid state light emitting device 4 or the light source 3 may be used. For example, the temperature dependence (known) of the wavelength of the light emitted from the solid state light emitting device 4 may be used to accurately estimate the appropriate absorbance coefficient used in the calculation, whereby the concentration of nitrate ions is determined from the absorbance. Is done.

あるいは、センサ装置は、第1光検出手段9および/または第2光検出手段20に対して、環境光が全く入射しない、または環境光が殆ど入射しないように構成される。環境光とは、光源3が放射した光以外の光である。第1光検出手段9または第2光検出手段20に対して入射する環境光の光強度は、第1光検出手段9および第2光検出手段20に対して入射する光源3が放射した光の光強度の10%未満であることが好ましい。また、第1光検出手段9または第2光検出手段20に対して入射する環境光の光強度は、第1光検出手段9および第2光検出手段20に対して入射する光源3が放射した光の光強度の1%未満であることが最も好ましい。センサ装置は、環境光が第1光検出手段9または第2光検出手段20に入射することを防止するシールドを備えていてよい。第1窓10および第2窓11は、囲われているのが好ましく、例えば、チューブにより囲われ、環境光が効果的に遮断される。センサ装置は、それゆえ、第1光検出手段9または第2光検出手段20に対してある波長の光の入射を制限するためのバンドパスフィルタを必要としない。   Alternatively, the sensor device is configured such that no ambient light or almost no ambient light is incident on the first light detection means 9 and / or the second light detection means 20. The ambient light is light other than the light emitted from the light source 3. The light intensity of the ambient light incident on the first light detection means 9 or the second light detection means 20 is the light intensity emitted by the light source 3 incident on the first light detection means 9 and the second light detection means 20. It is preferably less than 10% of the light intensity. The light intensity of the ambient light incident on the first light detection means 9 or the second light detection means 20 is emitted by the light source 3 incident on the first light detection means 9 and the second light detection means 20. Most preferably, it is less than 1% of the light intensity. The sensor device may include a shield that prevents ambient light from entering the first light detection means 9 or the second light detection means 20. The first window 10 and the second window 11 are preferably enclosed. For example, the first window 10 and the second window 11 are enclosed by a tube, and environmental light is effectively blocked. The sensor device therefore does not require a bandpass filter for limiting the incidence of light of a certain wavelength on the first light detection means 9 or the second light detection means 20.

上記の第1の実施例では、センサのあらゆる部材間を光で結びつけるときに、光線を成形する光学部品(例えばレンズ)は使用されない。しかしながら、センサ装置の性能を改善するために光の伝播を変化させることを目的として、光線の経路上いずれかに一以上の光学部品を配置する構成も評価される。   In the first embodiment described above, an optical component (for example, a lens) for shaping a light beam is not used when all members of the sensor are connected by light. However, a configuration in which one or more optical components are arranged on any one of the light beam paths is also evaluated for the purpose of changing the light propagation in order to improve the performance of the sensor device.

第2の実施例
本発明の第2の実施例は、固体発光素子4がレーザを備える点を除き、第1の実施例と同様である。多くの構成が第1の実施例と同じであり、それらの説明は改めて行わない。第2の実施例は図2に記載されている。
Second Embodiment A second embodiment of the present invention is the same as the first embodiment except that the solid state light emitting device 4 includes a laser. Many of the configurations are the same as those of the first embodiment, and their description will not be repeated. A second embodiment is described in FIG.

固体発光素子4は、AlyGa1-yN材料(0≦y≦1)、またはAlyGa1-yN(0≦y≦1)半導体材料を含むレーザダイオードを有する光励起レーザであってよい。第2の実施例におけるその他の例として、固体発光素子4は、中心波長が約225nmの光21を放射する、AlyGa1-yN半導体材料を含むレーザダイオードである。 The solid-state light emitting element 4 is an optically pumped laser having a laser diode containing an Al y Ga 1-y N material (0 ≦ y ≦ 1) or an Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1) semiconductor material. Good. As another example of the second embodiment, the solid state light emitting device 4 is a laser diode including an Al y Ga 1-y N semiconductor material that emits light 21 having a central wavelength of about 225 nm.

光源3における固体発光素子4としてレーザを選択することは好ましい。その理由として、レーザは、(1)より狭い周波数帯域の光を放射する、(2)LEDよりも変化に対してより安定的な波長の光をもたらす、(3)ほぼ直線偏光の光をもたらす、(4)光線の質が高く、平行光を容易に形成することができる、点が挙げられる。   It is preferable to select a laser as the solid state light emitting element 4 in the light source 3. The reason is that the laser (1) emits light in a narrower frequency band, (2) provides light of a more stable wavelength to change than the LED, (3) provides light of approximately linear polarization (4) The quality of the light beam is high, and parallel light can be easily formed.

光源3が放射した光5のスペクトル帯域幅は2nm未満であるが、約1nmであることが好ましい。狭いスペクトル帯域幅であれば、吸光度は、検体中の硝酸イオン濃度に対してほぼ線形依存の関係となる。これにより、センサ装置の信頼性が高まり、センサを較正する際の複雑さが低下する、または、較正が全く不要となる。   The spectral bandwidth of the light 5 emitted by the light source 3 is less than 2 nm, preferably about 1 nm. If the spectral bandwidth is narrow, the absorbance is almost linearly dependent on the nitrate ion concentration in the sample. This increases the reliability of the sensor device, reduces the complexity of calibrating the sensor, or eliminates the need for calibration at all.

また、光源3がレーザダイオードを含むことにより、光源3により放射された光の波長を安定させる追加の選択的な方法を使用できる(第1の実施例で説明した方法に加えて)。その方法は、レーザダイオード4から放射された光21の経路に波長安定素子24を付加的に配置することで実現する。この例において、波長安定素子24は表面回折格子であるが、波長安定素子24は、アルミニウム層を表面に有し、かつ、3,600本/mmのラインを有するホログラフィック回折格子であることがより好ましい。しかしながら、他の回折格子を用いて同様の性能を得ることもできる。例えば、(1)3,600本/mmよりも多い、または少ないラインを有するホログラフィック回折格子、(2)シルバー層または他の材質からなる層の表面を有するホログラフィック回折格子、(3)刻線回折格子、または、(4)体積型ホログラフィック回折格子、である。さらに、ダイクロイックミラー、または固体発光素子の方向に向かって狭い波長域の光を反射する他のミラーと組み合わされたバンドパスフィルタを用いることによっても同様の性能を得ることができる。固体発光素子4と上記表面回折格子との間にレンズが配置される。当該レンズは、固体発光素子4から放射された光をほぼ平行に集光する。その平行光は、上記表面回折格子の方向に伝播する。当該表面回折格子は、固体発光素子4からの光21が一次回折(または、高次回折)を経て固体発光素子4の方向に伝播するように方向付けされている(すなわち、同じ光の経路の反対方向)。これは、リトロウ型外部共振型ダイオードレーザの構成である。その回折された光により、固体発光素子4は、上記表面回折格子から固体発光素子4の方向へ伝播してきた光の波長と同様の波長を有する光を選択的に放射するが、これは、格子の配置された向きに依る。例えば、格子が3,600本/mmのラインを有する場合、上記表面回折格子に対する光21の入射角は、約220nmの波長に対しては約23.3°であり、約225nmの波長に対しては約23.9°である。それゆえ、放射光の波長は、上記表面回折格子による作用とは関係なく発生する波長の変動に対して安定する。上記表面回折格子からの0次回折の光(すなわち、上記表面回折からの正反射)は、検体に向かって結合し、対象物の吸光度を測定するのに用いられる。固体発光素子4から上記表面回折格子に入射し、上記表面回折格子から固体発光素子4の方向に戻る光の光強度の割合は5%から95%の範囲であるが、10%から50%の範囲であるのがより好ましい。固体発光素子4の方向に戻る割合が高いと、波長はさらに安定する。このように波長を安定化させる方法は、第1の実施例で説明した補助的な温度制御素子25などの手段と組み合わされてよい。
Also, since the light source 3 includes a laser diode, an additional selective method of stabilizing the wavelength of light emitted by the light source 3 can be used (in addition to the method described in the first embodiment). This method is realized by additionally arranging the wavelength stabilizing element 24 in the path of the light 21 emitted from the laser diode 4. In this example, the wavelength stabilizing element 24 is a surface diffraction grating, but the wavelength stabilizing element 24 is more preferably a holographic diffraction grating having an aluminum layer on the surface and having 3,600 lines / mm lines. . However, similar performance can be obtained using other diffraction gratings. For example, (1) a holographic diffraction grating having more or less lines than 3,600 lines / mm , (2) a holographic diffraction grating having a surface of a silver layer or a layer made of another material, and (3) engraving diffraction. Or (4) a volume holographic diffraction grating. Further, the same performance can be obtained by using a band-pass filter combined with a dichroic mirror or another mirror that reflects light in a narrow wavelength band toward the direction of the solid-state light emitting element. A lens is disposed between the solid state light emitting device 4 and the surface diffraction grating. The lens condenses the light emitted from the solid state light emitting device 4 almost in parallel. The parallel light propagates in the direction of the surface diffraction grating. The surface diffraction grating is oriented so that the light 21 from the solid-state light-emitting element 4 propagates in the direction of the solid-state light-emitting element 4 through first-order diffraction (or higher-order diffraction) (that is, in the same light path). Opposite direction). This is a configuration of a Littrow type external resonant diode laser. Due to the diffracted light, the solid state light emitting device 4 selectively emits light having a wavelength similar to the wavelength of the light propagated from the surface diffraction grating toward the solid state light emitting device 4. Depends on the orientation of the. For example, when the grating has a line of 3,600 lines / mm , the incident angle of the light 21 with respect to the surface diffraction grating is about 23.3 ° for a wavelength of about 220 nm and about 23.9 for a wavelength of about 225 nm. °. Therefore, the wavelength of the emitted light is stable with respect to the fluctuation of the wavelength generated regardless of the action of the surface diffraction grating. The zero-order diffracted light from the surface diffraction grating (that is, regular reflection from the surface diffraction) is coupled toward the specimen and used to measure the absorbance of the object. The ratio of the light intensity of light incident on the surface diffraction grating from the solid light emitting element 4 and returning from the surface diffraction grating in the direction of the solid light emitting element 4 is in the range of 5% to 95%. A range is more preferable. When the ratio of returning to the direction of the solid state light emitting device 4 is high, the wavelength is further stabilized. The method for stabilizing the wavelength in this way may be combined with means such as the auxiliary temperature control element 25 described in the first embodiment.

固体発光素子4としてレーザダイオードを用いることで、高品質な光線としてのレーザ光を容易に平行光に成形できるというさらなる利点がもたらされる。検体 に入射する入射光6は、このようにして小さな断面領域(光の伝播方向に対して垂直な平面を基準とした領域)に封じ込められうる。このことは、低コストセンサにとっては極めて重要な効果をもたらす。第1窓10および第2窓11は小断面領域を有してよい。波長200nmから220nmの光に対して高い透過率を有する窓に好適な材料は比較的コストが高く、したがって、小型の窓を使用できることは重要な利点である。さらに、センサ装置の運転中に第1窓10および第2窓11を手入れする手段は、低コストであり、窓が小型であるとさらにコンパクトになる。それゆえ、センサ装置全体のコストおよびサイズを抑えられる。この例において、第1窓10および第2窓11は、約2mm×2mmのサイズである。レーザダイオードによって放射される光の品質が高いことで、レンズによりレーザ光が集光され、その集光された光を小さなスポットに集めることができる、というさらなる効果もある。それゆえ、第1光検出手段(選択的に、第2光検出手段)を、小型で、低コストの装置にすることができる。この例において、第1光検出手段は、1mm2未満の断面積を有するシリコンベースのフォトダイオードである。 By using a laser diode as the solid state light emitting element 4, there is an additional advantage that laser light as a high-quality light beam can be easily formed into parallel light. In this way, the incident light 6 incident on the specimen can be confined in a small cross-sectional area (area based on a plane perpendicular to the light propagation direction). This has a very important effect for a low-cost sensor. The first window 10 and the second window 11 may have a small cross-sectional area. Materials suitable for windows having a high transmittance for light of wavelengths from 200 nm to 220 nm are relatively costly, so the ability to use small windows is an important advantage. Furthermore, the means for cleaning the first window 10 and the second window 11 during operation of the sensor device is low cost and becomes more compact if the window is small. Therefore, the cost and size of the entire sensor device can be suppressed. In this example, the first window 10 and the second window 11 are about 2 mm × 2 mm in size. The high quality of the light emitted by the laser diode has the further effect that the laser light is collected by the lens and the collected light can be collected in a small spot. Therefore, the first light detection means (optionally the second light detection means) can be a small and low-cost device. In this example, the first light detection means is a silicon-based photodiode having a cross-sectional area of less than 1 mm 2 .

固体発光素子4としてレーザダイオードを用いることで、レーザダイオードから放射された光は直線偏光性が高い、というさらなる効果がもたらされる。したがって、この例において、入射光6がp偏光であり、入射光6が第1窓10に対してブリュースター角で入射し、第1窓10および第2窓11が互いに平行であるように、第1窓10および第2窓11は構成される。ブリュースター角で光が入射することにより、反射損失を抑え、それにより第1光検出手段9へ入射する光の光強度を高めることができる。UV溶融石英製の第1窓10および第2窓11では、空気中での光の入射角は約56°である。   By using a laser diode as the solid-state light emitting element 4, a further effect that the light emitted from the laser diode is highly linearly polarized is brought about. Accordingly, in this example, the incident light 6 is p-polarized light, the incident light 6 is incident on the first window 10 at a Brewster angle, and the first window 10 and the second window 11 are parallel to each other. The first window 10 and the second window 11 are configured. When light is incident at the Brewster angle, reflection loss can be suppressed, and thereby the light intensity of the light incident on the first light detection means 9 can be increased. In the first window 10 and the second window 11 made of UV fused silica, the incident angle of light in the air is about 56 °.

第3の実施例
次に本発明の第3の実施例を説明する。第3の実施例は、第1の実施例および第2の実施例と類似しており、第1の実施例および第2の実施例と共通する構成についての説明は繰り返さない。図5に記載される第3の実施例では、200nmから240nmの波長域の遠紫外線が、固体発光素子により放射されたより長い波長の光を周波数変換することにより生成される。上記固体発光素子は、半導体レーザであり、一例としてレーザダイオードが挙げられる。
Third Embodiment Next, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment is similar to the first embodiment and the second embodiment, and the description of the configuration common to the first embodiment and the second embodiment will not be repeated. In the third embodiment shown in FIG. 5, far ultraviolet rays in the wavelength region of 200 nm to 240 nm are generated by frequency-converting longer wavelength light emitted by the solid state light emitting device. The solid-state light emitting device is a semiconductor laser, and a laser diode is an example.

センサ装置は光源30を備える。光源30において、固体発光素子4は、1以上の周波数変換素子31を通過する光21を放射する半導体レーザである。当該半導体レーザは、中心波長が約400nm以上かつ約480nm以下となる光を放射する。本実施例において、上記半導体レーザは、中心波長が約450nmの光21を放射する。本実施例において、上記半導体レーザは、AlyInxGa1-x-yN半導体材料、およびAlyInxGa1-x-yN発光層(0≦x≦1かつ0≦y≦1)を有するファブリー・ペロレーザダイオードである。しかしながら、他の種類の半導体レーザを用いることもできる。そのような他の種類の半導体レーザには、垂直共振器面発光レーザダイオード、DBRレーザダイオード、DFBレーザダイオード、他の材料を有するレーザが含まれる。上記レーザダイオードにより放射された光は、レンズによってほぼ平行光に集光され、波長安定素子に入射する。好適なレンズの一例として、焦点距離が2mmから5mmの成型ガラス非球面レンズが挙げられる。本実施例において、波長安定素子24は、表面回折格子であるが、アルミニウム層を表面に有し、かつ、3,600本/mmのラインを有するホログラフィック回折格子であることがより好ましい。しかしながら、他の回折格子を用いて同様の性能を得ることもできる。例えば、(1)3,600本/mmよりも多い、または3,600本/mmよりも少ないラインを有するホログラフィック回折格子、(2)シルバー層または他の材質からなる層の表面を有するホログラフィック回折格子、(3)刻線回折格子、または、(4)体積型ホログラフィック回折格子、である。さらに、ダイクロイックミラー、またはレーザダイオードの方向に向かって狭い波長域の光を反射する他のミラーと組み合わされたバンドパスフィルタを用いることによっても同様の性能を得ることができる。上記表面回折格子は、レーザダイオードの光21(レンズによって集光された後の光)が一次回折(または、高次回折)を経てレーザダイオードの方向に伝播するように方向付けされている(すなわち、同じ光の経路の反対方向)。これは、リトロウ型外部共振型ダイオードレーザの構成である。その回折された光により、レーザダイオードは、上記表面回折格子からレーザダイオードの方向へ伝播してきた光の波長と同様の波長を有する光を選択的に放射するが、これは、格子の配置された向きに依る。例えば、格子が3,600本/mmのラインを有する場合、上記表面回折格子に対する光21の入射角は、約430nmの波長に対しては約50.7°であり、約440nmの波長に対しては約52.4°であり、約450nmの波長に対しては約54.1°であり、約460nmの波長に対しては約55.9°である。それゆえ、放射光の波長は、上記表面回折格子による作用とは関係なく発生する波長の変動に対して安定する。上記表面回折格子からの0次回折の光(すなわち、上記表面回折からの正反射)は、1以上のレンズを使って周波数変換素子31に向かって結合されうる。好適なレンズは、焦点距離が5mmから200mm、好ましくは30mmから150mmの球面レンズである。その他として、好適なシステムは2つの円柱レンズを備える。その2つの円柱レンズはそれぞれ、焦点距離が5mmから200mmである(その2つのレンズの焦点距離は互いに異なっていてもよい)。ここで、第1の円柱レンズは第1平面に集光し、第2の円柱レンズは、上記第1平面に対して垂直な平面である第2平面に集光する。レーザダイオードから上記表面回折格子に入射し、上記表面回折格子からレーザダイオードの方向に戻る光の光強度の割合は5%から95%であるが、より好ましくは5%から20%である。固体発光素子4の方向に戻る割合が高いと、波長はさらに安定する。レーザダイオードは自身の表面を通して光を放射するが、その表面は反射率が2%未満となるように非反射コーティングが施されてよい。これにより、波長はさらに安定しうる。しかしながら、レーザダイオードの表面は必ずしも非反射コーティングを施されている必要はなく、本例では、レーザダイオードの表面には非反射コーティングは施されていない。 The sensor device includes a light source 30. In the light source 30, the solid-state light emitting element 4 is a semiconductor laser that emits light 21 that passes through one or more frequency conversion elements 31. The semiconductor laser emits light having a center wavelength of about 400 nm or more and about 480 nm or less. In this embodiment, the semiconductor laser emits light 21 having a center wavelength of about 450 nm. In this embodiment, the semiconductor laser includes a Fabry having an Al y In x Ga 1-xy N semiconductor material and an Al y In x Ga 1-xy N light emitting layer (0 ≦ x ≦ 1 and 0 ≦ y ≦ 1).・ Perot laser diode. However, other types of semiconductor lasers can be used. Such other types of semiconductor lasers include vertical cavity surface emitting laser diodes, DBR laser diodes, DFB laser diodes, and lasers with other materials. The light emitted by the laser diode is condensed into substantially parallel light by the lens and enters the wavelength stabilizing element. An example of a suitable lens is a molded glass aspheric lens having a focal length of 2 mm to 5 mm. In this embodiment, the wavelength stabilizing element 24 is a surface diffraction grating, but is more preferably a holographic diffraction grating having an aluminum layer on the surface and 3,600 lines / mm line. However, similar performance can be obtained using other diffraction gratings. For example, (1) greater than 3,600 present / mm, or holographic diffraction gratings having a smaller line than 3,600 present / mm, the holographic grating having a surface layer of (2) Silver layers or other materials, (3) a scored diffraction grating or (4) a volume holographic diffraction grating. Further, similar performance can be obtained by using a band-pass filter combined with a dichroic mirror or another mirror that reflects light in a narrow wavelength band toward the laser diode. The surface diffraction grating is oriented so that the laser diode light 21 (light after being collected by the lens) propagates in the direction of the laser diode via first order diffraction (or higher order diffraction) (ie, , Opposite direction of the same light path). This is a configuration of a Littrow type external resonant diode laser. Due to the diffracted light, the laser diode selectively emits light having a wavelength similar to that of the light propagating from the surface diffraction grating in the direction of the laser diode. Depends on direction. For example, when the grating has a line of 3,600 lines / mm , the incident angle of the light 21 to the surface diffraction grating is about 50.7 ° for a wavelength of about 430 nm and about 52.4 for a wavelength of about 440 nm. Is about 54.1 ° for a wavelength of about 450 nm and about 55.9 ° for a wavelength of about 460 nm. Therefore, the wavelength of the emitted light is stable with respect to the fluctuation of the wavelength generated regardless of the action of the surface diffraction grating. The zero-order diffracted light from the surface diffraction grating (that is, regular reflection from the surface diffraction) can be coupled toward the frequency conversion element 31 using one or more lenses. A suitable lens is a spherical lens with a focal length of 5 mm to 200 mm, preferably 30 mm to 150 mm. Alternatively, a suitable system comprises two cylindrical lenses. Each of the two cylindrical lenses has a focal length of 5 mm to 200 mm (the focal lengths of the two lenses may be different from each other). Here, the first cylindrical lens condenses on the first plane, and the second cylindrical lens condenses on the second plane which is a plane perpendicular to the first plane. The ratio of the light intensity of light incident on the surface diffraction grating from the laser diode and returning from the surface diffraction grating in the direction of the laser diode is 5% to 95%, more preferably 5% to 20%. When the ratio of returning to the direction of the solid state light emitting device 4 is high, the wavelength is further stabilized. Laser diodes emit light through their surface, which may be anti-reflective coated so that the reflectivity is less than 2%. Thereby, the wavelength can be further stabilized. However, the surface of the laser diode does not necessarily need to be provided with a non-reflective coating, and in this example, the surface of the laser diode is not provided with a non-reflective coating.

周波数変換素子31は、レーザダイオードから放射された光の第2高調波発生(SHG)のタイプ1位相整合条件をもたらすβ−BaB2O4クリスタルを含む。β−BaB2O4クリスタルは、長さ(クリスタルを通過する光の伝播方向と平行な方向で測定された長さ)が1mmから20mmであり、より好ましくは、5mmから15mmである。(1)第2高調波発生(SHG)のタイプ1位相整合条件をもたらす、BaB2O4におけるポンプ光の好ましい方向、(2)ポンプ光の好ましい偏光方向、は何れも先行技術である。例えば、レーザダイオードから放射された光の波長が約450nmであり、波長約450nmの光は、β−BaB2O4クリスタルの光軸から約63°離れた角度(θBBO)を伝播する。光の主電場は上記光軸に対して垂直である。周波数変換素子31は、中心波長約450nmの光の一部を、中心波長約225nmの光に変換する。中心波長約225nmの光は、少なくとも1μWの光強度を有していることが好ましく、少なくとも10μWの光強度を有していることがさらに好ましい。 The frequency conversion element 31 includes a β-BaB 2 O 4 crystal that provides a type 1 phase matching condition for second harmonic generation (SHG) of light emitted from the laser diode. The β-BaB 2 O 4 crystal has a length (measured in a direction parallel to the propagation direction of light passing through the crystal) of 1 mm to 20 mm, more preferably 5 mm to 15 mm. (1) The preferred direction of pump light in BaB 2 O 4 that leads to type 1 phase matching conditions for second harmonic generation (SHG) and (2) the preferred polarization direction of pump light are both prior art. For example, the wavelength of light emitted from the laser diode is about 450 nm, and light having a wavelength of about 450 nm propagates at an angle (θBBO) of about 63 ° away from the optical axis of the β-BaB 2 O 4 crystal. The main electric field of light is perpendicular to the optical axis. The frequency conversion element 31 converts a part of light having a center wavelength of about 450 nm into light having a center wavelength of about 225 nm. Light having a central wavelength of about 225 nm preferably has a light intensity of at least 1 μW, and more preferably has a light intensity of at least 10 μW.

第1中心波長450nmおよび第2中心波長225nmを有する光32が周波数変換素子31から放射される。その光は、レンズによってほぼ平行に集光される。光32はフィルタ33により濾光される。フィルタ33は、上記第1中心波長の光の光強度を上記第2中心波長の光の光強度よりも低減させる。フィルタから放射される光5の大部分が第2中心波長を有することが好ましい。光5の光強度の少なくとも90%が上記第2中心波長の光であることが最も好ましい。周波数変換(例えば、SHG)は相対的に低効率かもしれない。したがって、光5における上記第1中心波長の光の光強度は0.01%未満であり、光32における上記第1中心波長の光の光強度は0.001%未満または0.0001%未満かもしれない。フィルタは、DBR(distributed Bragg reflector)を有する1以上のミラーを備えてよい。DBRは、上記第2中心波長の光に対して高反射率を有し(R>90%、好ましくはR>99%)、かつ、上記第1中心波長の光に対して低反射率を有する(R<1%)。好適なDBRミラーは、UV溶融石英基板上のMgF2およびLaF3層を用いて作製される。フィルタはまた、分散性部材を備える。上記分散性部材は、例えばUV溶融石英プリズム(すなわち、Pellin-Brocaプリズムまたは等辺プリズム)である。上記分散性部材は、λ=450nmの光とλ=225nmの光とが空間的に分離するよう設けられる。   Light 32 having a first center wavelength 450 nm and a second center wavelength 225 nm is emitted from the frequency conversion element 31. The light is collected almost parallel by the lens. The light 32 is filtered by the filter 33. The filter 33 reduces the light intensity of the light having the first center wavelength to be lower than the light intensity of the light having the second center wavelength. It is preferred that most of the light 5 emitted from the filter has a second center wavelength. Most preferably, at least 90% of the light intensity of the light 5 is light having the second central wavelength. Frequency conversion (eg, SHG) may be relatively inefficient. Therefore, the light intensity of the light having the first center wavelength in the light 5 may be less than 0.01%, and the light intensity of the light having the first center wavelength in the light 32 may be less than 0.001% or less than 0.0001%. The filter may comprise one or more mirrors having a distributed bragg reflector (DBR). The DBR has a high reflectance with respect to the light having the second central wavelength (R> 90%, preferably R> 99%), and has a low reflectance with respect to the light having the first central wavelength. (R <1%). Suitable DBR mirrors are made using MgF2 and LaF3 layers on a UV fused silica substrate. The filter also includes a dispersible member. The dispersive member is, for example, a UV fused silica prism (that is, a Pellin-Broca prism or an equilateral prism). The dispersive member is provided so that light of λ = 450 nm and light of λ = 225 nm are spatially separated.

第1の実施例のように、入射光6が検体に入射し、検体を通過する光の透過率が第1光検出手段9により測定される。さらに、検体に入射する入射光6の光強度が、光源3により放射された光5の一部を検出する第2光検出手段20を使って判定される。第2光検出手段20は、光5の光強度の変動を判定するのに使われてもよいが、この判定は、先述の実施例で説明した他の方法により行われてもよい。このようにして、硝酸イオンは、詳細な説明、および第1の実施例で説明された方法に従って判定される。   As in the first embodiment, the incident light 6 enters the specimen, and the transmittance of the light passing through the specimen is measured by the first light detection means 9. Furthermore, the light intensity of the incident light 6 incident on the specimen is determined using the second light detection means 20 that detects a part of the light 5 emitted by the light source 3. The second light detection means 20 may be used to determine the fluctuation of the light intensity of the light 5, but this determination may be performed by another method described in the above embodiment. In this way, nitrate ions are determined according to the detailed description and the method described in the first embodiment.

第2の実施例と同様に、第1窓10および第2窓11は、約2mm×2mmと小型であることが好ましい。これは、光6の伝播方向に対して垂直な方向で測定されたサイズである。これにより、周波数変換素子で生成された第2波長の光が有する高い品質を利点として享受することができる。しかしながら、さらに小さなサイズ、または、より大きなサイズ(例えば、5mm×5mm、10mm×10mm、またはさらに大きなサイズ)の第1窓10および第2窓11が使用されてもよい。第2の実施例と同様に、第1窓10および第2窓11は、p偏光された上記第2波長の光に対してブリュースター角の方向に配置されてよい。これにより、周波数変換素子で生成された上記第2波長の光がほぼ直線偏光される、という利点を享受することができる。さらに、光源30が周波数変換素子31を備えることにより、(1)周波数変換された光の直線偏光の程度が極めて高くなり、かつ、(2)周波数変換された光の直線偏光の程度は、一般的な固定光源(例えば、レーザダイオイード)によって放射された光の直線偏光の程度よりも高い、といったさらなる利点もある。第1光検出手段および第2光検出手段はシリコンベースのフォトダイオード(例えば、UV強化シリコンフォトダイオード)を含む。   Similar to the second embodiment, the first window 10 and the second window 11 are preferably as small as about 2 mm × 2 mm. This is the size measured in the direction perpendicular to the propagation direction of the light 6. Thereby, the high quality which the light of the 2nd wavelength produced | generated with the frequency conversion element has can be enjoyed as an advantage. However, the first window 10 and the second window 11 having a smaller size or a larger size (for example, 5 mm × 5 mm, 10 mm × 10 mm, or a larger size) may be used. Similar to the second embodiment, the first window 10 and the second window 11 may be arranged in the direction of the Brewster angle with respect to the p-polarized light of the second wavelength. Thereby, the advantage that the light of the said 2nd wavelength produced | generated with the frequency conversion element is substantially linearly polarized can be enjoyed. Furthermore, since the light source 30 includes the frequency conversion element 31, (1) the degree of linear polarization of the frequency-converted light is extremely high, and (2) the degree of linear polarization of the frequency-converted light is generally There are further advantages, such as higher than the degree of linear polarization of light emitted by a typical fixed light source (eg, laser diode). The first light detection means and the second light detection means include a silicon-based photodiode (eg, a UV enhanced silicon photodiode).

上述した本実施例におけるセンサ装置が備える光源30は、レーザダイオードと周波数変換素子31との間に配設された波長安定素子24を備える。光源30の他に採用しうる構成として、周波数変換素子31およびフィルタ33はそれぞれ、レーザダイオードと波長安定素子24との間に配設される。光源30の当該他に採りうる構成が図18に記載されている。レーザダイオード4により放射された光21は、第1中心波長を有し、周波数変換素子31に入る。周波数変換素子31から伝播される光34は、上記第1中心波長の光と、第2中心波長の周波数変換光とを含む。光34は、フィルタ33によって、光35と光5とに分離される。光35は、上記第1中心波長の光を、少なくとも10%、好ましくは80%含む。光5は、上記第2中心波長の光を含む。光35は、波長安定素子24に入射する。波長安定素子24は、光35の一部をレーザダイオードの方向に戻す。上記光35の一部は、波長安定素子24に入射した経路と同じ経路を進むが、反対方向に進み、フィルタ33および周波数変換素子31を通過する(上述した例に記載するとおり)。周波数変換素子31と波長安定素子24との間に、分岐した光をほぼ平行な光に集光するレンズ、または、波長安定素子24に集光するレンズを配設することが好ましい。光5は、第1の実施例または第2の実施例で説明したように、センサ装置において用いられる。図18に記載された光源に含まれる部品群は、図2に記載された光源について本例で説明したのと同じ種類であるが、波長安定素子として使用される上記表面回折格子が当該表面回折格子に入射する光の少なくとも60%(より好ましくは、少なくとも80%)をレーザダイオードの方向へ戻す、という点は相違する。   The light source 30 provided in the sensor device in the above-described embodiment includes the wavelength stabilizing element 24 disposed between the laser diode and the frequency conversion element 31. As a configuration that can be adopted in addition to the light source 30, the frequency conversion element 31 and the filter 33 are respectively disposed between the laser diode and the wavelength stabilizing element 24. A possible other configuration of the light source 30 is shown in FIG. The light 21 emitted by the laser diode 4 has a first center wavelength and enters the frequency conversion element 31. The light 34 propagated from the frequency conversion element 31 includes the light having the first center wavelength and the frequency conversion light having the second center wavelength. The light 34 is separated into light 35 and light 5 by the filter 33. The light 35 includes at least 10%, preferably 80% of the light having the first central wavelength. The light 5 includes light having the second center wavelength. The light 35 enters the wavelength stabilizing element 24. The wavelength stabilizing element 24 returns a part of the light 35 in the direction of the laser diode. A part of the light 35 travels in the same path as the path incident on the wavelength stabilizing element 24, but travels in the opposite direction and passes through the filter 33 and the frequency conversion element 31 (as described in the above example). It is preferable to dispose a lens that condenses the branched light into substantially parallel light or a lens that condenses the wavelength stabilizing element 24 between the frequency conversion element 31 and the wavelength stabilizing element 24. The light 5 is used in the sensor device as described in the first embodiment or the second embodiment. The parts group included in the light source shown in FIG. 18 is the same type as that described in the present example for the light source shown in FIG. 2, but the surface diffraction grating used as a wavelength stabilizing element is the surface diffraction. The difference is that at least 60% (more preferably at least 80%) of the light incident on the grating is returned in the direction of the laser diode.

本実施例を通して、波長安定素子24は、レーザダイオードから直接放射された光に対して作用するのであり、周波数変換された光に対しては作用しない点は強調しておく。   Throughout this embodiment, it is emphasized that the wavelength stabilizing element 24 acts on the light directly emitted from the laser diode and does not act on the frequency-converted light.

入射光5に含まれる上記第2波長の周波数変換光の波長をさらに安定させるために、温度制御素子が周波数変換素子31に適用されてもよい。この構成は効果的である。なぜならば、周波数変換素子を狭い温度範囲(例えば、±5℃)に維持すると、周波数変換素子における周波数変換で得られる第2中心波長の光の波長をさらに安定させうるためである。   In order to further stabilize the wavelength of the frequency converted light having the second wavelength contained in the incident light 5, a temperature control element may be applied to the frequency converting element 31. This configuration is effective. This is because if the frequency conversion element is maintained in a narrow temperature range (for example, ± 5 ° C.), the wavelength of the second central wavelength light obtained by frequency conversion in the frequency conversion element can be further stabilized.

これに加えて、または本実施例で説明した波長安定素子24を用いた波長安定化の代替として、第1の実施例で説明した他の手段(補助的な温度制御素子25など)も第3の実施例に含まれてもよい。   In addition to this, or as an alternative to the wavelength stabilization using the wavelength stabilizing element 24 described in the present embodiment, other means described in the first embodiment (such as the auxiliary temperature control element 25) are also third. It may be included in the embodiment.

第1の実施例の方法2のように温度制御素子25が使用される場合、温度制御素子は固体発光素子4(本実施例では、レーザダイオード)に対して作用する。1つ以上の周波数変換素子31は、レーザダイオードと熱的に接触してよい。1つ以上のフィルタ33は、レーザダイオードと熱的に接触してよい。   When the temperature control element 25 is used as in the method 2 of the first embodiment, the temperature control element acts on the solid state light emitting element 4 (in this embodiment, a laser diode). One or more frequency conversion elements 31 may be in thermal contact with the laser diode. One or more filters 33 may be in thermal contact with the laser diode.

あるいは、すべての周波数安定手段が省略されてもよい。この場合、周波数変換による効果が得られる。つまり、固体発光素子による波長変動が検体に入射する光の波長変動に与える影響を抑制する、という効果が得られる。あるいは、温度検知手段27、および第1中心波長および/または第2中心波長の気温に伴う周知の変化を使用することも有利であろう。   Alternatively, all frequency stabilizing means may be omitted. In this case, the effect of frequency conversion can be obtained. That is, it is possible to obtain an effect of suppressing the influence of the wavelength variation due to the solid light emitting element on the wavelength variation of the light incident on the specimen. Alternatively, it may be advantageous to use the temperature sensing means 27 and known changes with the temperature of the first center wavelength and / or the second center wavelength.

第1の実施例および第2の実施例のように、第1光検出手段9と、場合によっては第2光検出手段20からの入力を受け付けるコントローラ23が含まれてもよい。コントローラ23は、吸光度Aを測定するために第1光検出手段 および第2光検出手段20からの入力を受け付けてよい。さらに、コントローラ23は、対象物1の濃度を決定するために、あるアルゴリズムを使ってもよい。例えば、コントローラ23は、マイクロコントローラ/マイクロプロセッサ、および他の電気回路を含んでよい。さらに、コントローラ23は、固体発光素子4を含め、光源3のいずれかの部分に電流を供給する電流生成手段を含んでよい。   As in the first and second embodiments, the first light detection means 9 and, in some cases, a controller 23 that receives input from the second light detection means 20 may be included. The controller 23 may accept inputs from the first light detection means and the second light detection means 20 in order to measure the absorbance A. Furthermore, the controller 23 may use a certain algorithm to determine the concentration of the object 1. For example, the controller 23 may include a microcontroller / microprocessor and other electrical circuitry. Further, the controller 23 may include a current generating unit that supplies a current to any part of the light source 3 including the solid state light emitting device 4.

第3の実施例では、β−BaB2O4を含む周波数変換素子を説明した。周波数変換素子は、所望の第2中心波長の光を生成することが可能なあらゆる材料を含む。例えば、周波数変換素子は、以下の1つ以上の材料を含む。β−BaB2O4、Ba1-xB2-y-zO4 -SixAlyGaz(0≦x≦0.15、0≦y≦0.10、0≦z≦0.04、x+y+z≠0)、SiO2(例えば、擬似位相整合変換をもたらす周期双晶構造を含む)、AlyGa1-yN(0.5≦y≦1)(例えば、擬似位相整合変換をもたらす周期分極反転構造)、CsLiB6O10、LiB3O5、KBe2BO3F2、Li2B4O7、LiRbB4O7、またはMgBaF4(例えば、擬似位相変換をもたらす周期分極反転構造)。 In the third embodiment, the frequency conversion element including β-BaB 2 O 4 has been described. The frequency conversion element includes any material capable of generating light of a desired second center wavelength. For example, the frequency conversion element includes one or more of the following materials. β-BaB 2 O 4, Ba 1-x B 2-yz O 4 - Si x Al y Ga z (0 ≦ x ≦ 0.15,0 ≦ y ≦ 0.10,0 ≦ z ≦ 0.04, x + y + z ≠ 0), SiO 2 (for example, including a periodic twin structure that provides quasi-phase matching conversion), Al y Ga 1-y N (0.5 ≦ y ≦ 1) (for example, periodic polarization that provides quasi-phase matching conversion) Inversion structure), CsLiB 6 O 10 , LiB 3 O 5 , KBe 2 BO 3 F 2 , Li 2 B 4 O 7 , LiRbB 4 O 7 , or MgBaF 4 (eg, a periodically poled structure that results in quasi-phase conversion).

第4の実施例
次に本発明の第4の実施例を説明する。第4の実施例は、第3の実施例と類似しており、第3の実施例と共通する構成についての説明は繰り返さない。図9に記載される第4の実施例において、センサ装置は、第1の実施例から第3の実施例に記載された何れかのセンサ装置を含む(ここで、第1の実施例から第3の実施例に記載された何れかのセンサ置を「第1センサ」と称する)。1つ以上の補助的なセンサを「第2センサ」と称する。第2センサの測定値は、第1センサが検体中の対象物濃度を判定する精度を高めるのに用いられる。第2センサは、第1の実施例から第3の実施例に記載された何れの構成を含んでもよい。しかし、加えて、第2センサの光源40は、約240nmよりも大きい波長の光を放射する。
Fourth Embodiment Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The fourth embodiment is similar to the third embodiment, and the description of the configuration common to the third embodiment will not be repeated. In the fourth embodiment shown in FIG. 9, the sensor device includes any one of the sensor devices described in the first embodiment to the third embodiment (here, the first embodiment to the first embodiment). Any one of the sensor devices described in the third embodiment is referred to as a “first sensor”). One or more auxiliary sensors are referred to as “second sensors”. The measurement value of the second sensor is used to increase the accuracy with which the first sensor determines the object concentration in the sample. The second sensor may include any configuration described in the first to third embodiments. In addition, however, the light source 40 of the second sensor emits light having a wavelength greater than about 240 nm.

第4の実施例において、第1センサは第3の実施例に記載されたセンサ装置と同一である。例えば、光源30は、第3の実施例と同一である。第4の実施例では第2センサは1つ用いられ、それが図9に記載されている。この第2センサは、中心波長約375nmの光が検体を透過する、その透過率を測定する。第2センサは、センサ装置の特性を判定するのに使用される(例えば、第1窓10および第2窓11の清潔さ)、または、検体の特性(例えば、検体の混濁度、または検体中の対象物以外の化学物質の濃度)。第1センサが測定する光透過率についての1以上のこれらの周知または推定される特性は、続いて、センサ装置が対象物濃度を判定する精度を高めるのに用いられる。具体的に、第1センサにおける好適な損失Ti値を判定するために第2センサが使用される。これにより、第2センサは、第1センサからの出力を用いて検体中の対象物濃度を計算する際にTi値を考慮する。この構成は、センサの使用中にTi値が変化する場合、例えば、第1窓10および第2窓11が時間の経過とともに汚れた場合、時間の経過とともに検体の混濁度が大きく変化する場合など、に特に有利である。 In the fourth embodiment, the first sensor is the same as the sensor device described in the third embodiment. For example, the light source 30 is the same as that in the third embodiment. In the fourth embodiment, one second sensor is used, which is described in FIG. This second sensor measures the transmittance of light having a central wavelength of about 375 nm that passes through the specimen. The second sensor is used to determine the characteristics of the sensor device (for example, cleanliness of the first window 10 and the second window 11), or the characteristics of the sample (for example, turbidity of the sample, or in the sample) Concentrations of chemicals other than the target substance). One or more of these known or estimated characteristics of the light transmission measured by the first sensor are subsequently used to increase the accuracy with which the sensor device determines the object concentration. Specifically, the second sensor is used to determine a suitable loss Ti value for the first sensor. As a result, the second sensor considers the T i value when calculating the concentration of the object in the sample using the output from the first sensor. In this configuration, when the Ti value changes during use of the sensor, for example, when the first window 10 and the second window 11 become dirty with the passage of time, the turbidity of the specimen greatly changes with the passage of time. Are particularly advantageous.

第4の実施例において、第2センサは、検体の混濁度を測定するために使用される。第1センサおよび第2センサは、同一の検体2に作用するよう配置されている。第1センサおよび第2センサは、一つの検体処理手段12を共有してもよい。第1センサおよび第2センサは、同一の第1窓10を使用してよい。第1センサおよび第2センサは、同一の第2窓11を使用してよい。   In the fourth embodiment, the second sensor is used to measure the turbidity of the specimen. The first sensor and the second sensor are arranged to act on the same specimen 2. The first sensor and the second sensor may share one sample processing means 12. The first sensor and the second sensor may use the same first window 10. The first sensor and the second sensor may use the same second window 11.

光源40は、固体発光素子41を備える。固体発光素子41は、中心波長約375nmの光を放射する。本実施例において、固体発光素子はLEDである。例えば、LEDは、AlyInxGa1-xN材料を含む(0≦x≦1、0≦y≦1)。光源40は、さらに、温度制御手段42、および/または温度検知手段43を備える。第2センサは、光源40が放射する光の検体中の透過率を測定するために、第3光検出手段46と、補助的な第4光検出手段47とを備える(つまり、図9を参照して、測定値P4および追加的なP5からP4/P3比率を測定する。ここで、第3光検出手段46および第4光検出手段47は、第1センサが備える第1光検出手段9および第2光検出手段20と同様に動作する)。第3光検出手段46および第4光検出手段47は、第1の実施例におけるフォトダイオードと同様の設計が考慮されたフォトダイオードである(例えば、シリコンベースのフォトダイオード)。 The light source 40 includes a solid light emitting element 41. The solid state light emitting device 41 emits light having a central wavelength of about 375 nm. In this embodiment, the solid state light emitting device is an LED. For example, the LED includes an Al y In x Ga 1-x N material (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1). The light source 40 further includes a temperature control unit 42 and / or a temperature detection unit 43. The second sensor includes third light detection means 46 and auxiliary fourth light detection means 47 in order to measure the transmittance of light emitted from the light source 40 in the specimen (see FIG. 9). Then, the measured value P 4 and the additional P 5 to P 4 / P 3 ratio are measured, where the third light detection means 46 and the fourth light detection means 47 are the first light included in the first sensor. It operates in the same manner as the detection means 9 and the second light detection means 20). The third light detection means 46 and the fourth light detection means 47 are photodiodes that take into consideration the same design as the photodiodes in the first embodiment (for example, silicon-based photodiodes).

検体2(本実施例では水)中の対象物1(本実施例では硝酸イオン)の濃度が、例えば、第1光検出手段9、第3光検出手段46、そして、付加的に第2光検出手段20および第4光検出手段47からの入力を用いてコントローラ23により決定される。その計算は、第1の実施例に以下の追加的な処理を加えて実行される。第1の実施例で説明した計算処理中の第3光検出手段46および第4光検出手段47に入射する光の光強度をそれぞれP4'、P5'とする。上記計算処理で使用された検体は、センサ装置によって次に分析される検体と比べて、その混濁度が無視できる程度であることが好ましい。検体は、消イオン水であることが好ましい。センサ装置が検体を分析する間、測定された光強度P4、および補助的な強度P5に基づいて、検体を通過する中心波長約375nmの光の透過率T375nmが計算される。 The concentration of the object 1 (nitrate ions in this embodiment) in the specimen 2 (water in this embodiment) is, for example, the first light detection means 9, the third light detection means 46, and additionally the second light. It is determined by the controller 23 using the inputs from the detection means 20 and the fourth light detection means 47. The calculation is executed by adding the following additional processing to the first embodiment. The light intensities of the light incident on the third light detection means 46 and the fourth light detection means 47 during the calculation process described in the first embodiment are P 4 ′ and P 5 ′, respectively. It is preferable that the sample used in the calculation process has negligible turbidity compared to the sample to be analyzed next by the sensor device. The specimen is preferably deionized water. While the sensor device analyzes the specimen, a transmittance T 375 nm of light having a central wavelength of about 375 nm passing through the specimen is calculated based on the measured light intensity P 4 and auxiliary intensity P 5 .

補助的な第4光検出手段47が存在しない場合、P5'/ P5の値を推定してよい(例えば、P5'/P5=1)。第1センサにおいて検体を通過する光の透過度に対して混濁度が与える影響を判定するためにT375nmが用いられる。例えば、第1センサにおける入射光6の中心波長が約225nmである場合、波長225nmの光に対する混濁度に起因して生じるanalyte中の光損失T225nmは、T225nm=g(T225nm)と決定される。ここで、数学的な関数g( )は、理論的、経験的、半経験的に決定される。続いて、T225nmは、第1センサにて透過した一部の光の光強度についての方程式の複数の分母Tiの一つとして用いられる。この方程式は、対象物による光吸収に起因しない光損失を含み、かつ、詳細な説明で先述されている。例えば、対象物の濃度は次の方程式を用いて計算される。 When the auxiliary fourth light detection means 47 does not exist, the value of P 5 ′ / P 5 may be estimated (for example, P 5 ′ / P 5 = 1). T 375 nm is used to determine the effect of turbidity on the transmittance of light passing through the specimen in the first sensor. For example, when the center wavelength of the incident light 6 in the first sensor is about 225 nm, the light loss T 225 nm in the analyze caused by the turbidity with respect to the light of wavelength 225 nm is determined as T 225 nm = g (T 225 nm ). Is done. Here, the mathematical function g () is determined theoretically, empirically, or semi-empirically. Subsequently, T 225 nm is used as one of a plurality of denominators T i in the equation for the light intensity of part of the light transmitted by the first sensor. This equation includes light loss that is not due to light absorption by the object and has been previously described in the detailed description. For example, the concentration of the object is calculated using the following equation:

これにより、詳細な説明で説明したように、値の推定ではなく実際に測定が行われた場合に、対象物による吸収ではない1以上の原因による第1センサでの光の一部の損失が定量化される、という利点が享受される。 Thereby, as explained in the detailed description, when the measurement is actually performed instead of the estimation of the value, the loss of a part of the light in the first sensor due to one or more causes that is not the absorption by the object is caused. The advantage of being quantified is enjoyed.

複数のセンサはデータを同時に測定する必要はない。連続監視のためにセンサが直線状に置かれ、1のセンサの測定位置が別のセンサの測定位置の後流にある場合、測定間に時間的遅れがあるのは都合がよい。検体の流量を把握することにより、両方のセンサの測定経路に同量の検体が存在するように測定のタイミングが計られる。これにより、急速な条件の変化に対してもシステムは耐性を持つ。検体の流量は流量センサを用いて測定され、その情報がコントローラ23に入力される。これにより、既知の流量に基づいて、測定間で様々な時間的遅れが許容される。   Multiple sensors do not need to measure data simultaneously. When sensors are placed in a straight line for continuous monitoring and the measurement position of one sensor is in the wake of the measurement position of another sensor, it is convenient to have a time delay between measurements. By grasping the flow rate of the sample, the measurement timing is measured so that the same amount of sample exists in the measurement paths of both sensors. This makes the system resistant to rapid changes in conditions. The flow rate of the specimen is measured using a flow sensor, and the information is input to the controller 23. This allows for various time delays between measurements based on known flow rates.

本実施例では、第2センサにおいて波長約375nmの光が用いられている。しかし、他の波長の光が用いられてもよい。第2センサが用いる光の波長は対象物に大きく吸収されない波長が好ましい。他の効果を得るために同様の補正をもたらす他の波長が用いられてもよい。例えば、波長約250nmの光を放射するLEDが、システム(例えば、検体2、第1窓10、第2窓11)中に存在する有機物に起因する第1センサ(Ti)での光損失を測定するために使用されてもよい。複数の第2センサが、第1センサに対する1以上のTiの推定値を取得するために使用されてもよい。これにより、第1センサの精度を高めることができる。 In this embodiment, light having a wavelength of about 375 nm is used in the second sensor. However, other wavelengths of light may be used. The wavelength of the light used by the second sensor is preferably a wavelength that is not significantly absorbed by the object. Other wavelengths that provide similar corrections to obtain other effects may be used. For example, an LED that emits light having a wavelength of about 250 nm reduces light loss at the first sensor (T i ) due to organic substances present in the system (for example, the specimen 2, the first window 10, and the second window 11). It may be used to measure. A plurality of second sensors may be used to obtain an estimate of one or more T i for the first sensor. Thereby, the accuracy of the first sensor can be increased.

第5の実施例
次に本発明の第5の実施例を説明する。第5の実施例は、第4の実施例と類似している。共通の構成は、同一の参照番号が付されており、それらの説明は繰り返さない。例えば、光源30および光源40は第4の実施例で使われる光源と同じである。第5の実施例が図11に記載されている。第5の実施例において、第1光検出手段9が、光源30から放射されて検体を透過した光の光強度(P2)、および光源40から放射されて検体を透過した光の光強度(P4)を測定するために使用される。補助的な第2光検出手段20が、光源30により放射された光の光強度(PR)、および光源40の光強度(P5)を測定する。補助的なミラー28が、光源30および光源40から放射された光を第1光検出手段9および第2光検出手段20の方向へ向けるように構成されている。
Fifth Embodiment Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. The fifth embodiment is similar to the fourth embodiment. Common configurations are given the same reference numerals and their description will not be repeated. For example, the light source 30 and the light source 40 are the same as the light sources used in the fourth embodiment. A fifth embodiment is described in FIG. In the fifth embodiment, the first light detection means 9 has a light intensity (P 2 ) of light emitted from the light source 30 and transmitted through the specimen, and a light intensity (P 2 ) of light emitted from the light source 40 and transmitted through the specimen ( Used to measure P 4 ). The auxiliary second light detection means 20 measures the light intensity (P R ) of the light emitted by the light source 30 and the light intensity (P 5 ) of the light source 40. The auxiliary mirror 28 is configured to direct the light emitted from the light source 30 and the light source 40 toward the first light detection means 9 and the second light detection means 20.

一つの考えうる構成が図11に記載されている。この構成において、ミラー28は、1%から99%、好ましくは40%から90%の反射率で光源40から放射された光を反射する。反射された光が、光強度P3の入射光49である。入射光49は、検体に入射し、そして第1光検出手段9に入射する。光源40から放射された光のうち、ミラー28で反射されなかった光の全部または一部がミラー28を透過し、第2光検出手段20に入射する。その透過した光の光強度がP5である。このように、第1光検出手段9および第2光検出手段20はそれぞれ、第4の実施例における第3光検出手段46および第4光検出手段47と同様に機能する。ミラー28は、1%から99%、好ましくは10%から60%の反射率で光源30から放射された光を反射する。反射した光は第2光検出手段20に入射する。その透過した光の光強度がPRである。光源30から放射された光のうち、ミラー28で反射されなかった光の全部または一部がミラー28を透過する。その透過した光が光強度P1の入射光6である。入射光6は、検体に入射し、そして第1光検出手段9に入射する。 One possible configuration is described in FIG. In this configuration, the mirror 28 reflects light emitted from the light source 40 with a reflectivity of 1% to 99%, preferably 40% to 90%. The reflected light is incident light 49 having a light intensity P3. Incident light 49 enters the specimen and then enters the first light detection means 9. Of the light emitted from the light source 40, all or part of the light not reflected by the mirror 28 passes through the mirror 28 and enters the second light detection means 20. The light intensity of the transmitted light is P 5. Thus, the first light detection means 9 and the second light detection means 20 function in the same manner as the third light detection means 46 and the fourth light detection means 47 in the fourth embodiment, respectively. The mirror 28 reflects the light emitted from the light source 30 with a reflectance of 1% to 99%, preferably 10% to 60%. The reflected light is incident on the second light detection means 20. The light intensity of the transmitted light is PR. Of the light emitted from the light source 30, all or part of the light not reflected by the mirror 28 passes through the mirror 28. The transmitted light is incident light 6 having a light intensity P 1 . Incident light 6 enters the specimen and then enters the first light detection means 9.

入射光6および入射光49は検体中の同じような光学経路、例えば第1窓10および第2窓11の同じような位置を伝播することが好ましい。こうして、少ない部品数で、第4の実施例に係る第1センサシステムおよび第2センサシステムが第5の実施例に組み込まれる(すなわち、第3光検出手段および第4光検出手段は必要とされない)。   The incident light 6 and the incident light 49 preferably propagate through similar optical paths in the specimen, for example, similar positions of the first window 10 and the second window 11. Thus, the first sensor system and the second sensor system according to the fourth embodiment are incorporated into the fifth embodiment with a small number of parts (that is, the third light detection means and the fourth light detection means are not required). ).

第5の実施例では、光源30および光源40は同時に光を放射しないことが好ましい。一つの考えうる運転方法が図10に記載されている。以下説明する。時刻t1において光源30に通電し、光源30の電源がON状態となる。これにより光源30は光を放射する。その後の時刻t2(t2>t1)において光源30への給電が終了し、光源30の電源がOFF状態に戻る。t1とt2の間に第1光検出手段9の測定値(P2)が取得される。t1とt2の間に第2光検出手段20の測定値(PR)が取得されてもよい。また、時刻t3において光源40に通電し、光源40の電源がON状態となる。これにより光源40は光を放射する。その後の時刻t4(t4>t3)において光源40への給電が終了し、光源40の電源がOFF状態に戻る。t3とt4の間に第1光検出手段9の測定値(P4)が取得される。t3とt4の間に第2光検出手段20の測定値(P5)が取得されてもよい。コントローラ23が光源30および光源40の運転と第1光検出手段9および第2光検出手段20からの入力を受け付けるのに用いられてもよい。図10に記載されるように、連続的な測定が時刻t5で開始してよい。 In the fifth embodiment, the light source 30 and the light source 40 preferably do not emit light simultaneously. One possible driving method is described in FIG. This will be described below. By energizing the light source 30 at time t 1, power source 30 is turned ON. Thereby, the light source 30 emits light. Thereafter, at time t 2 (t 2 > t 1 ), power supply to the light source 30 is completed, and the power source of the light source 30 returns to the OFF state. The measured value (P 2 ) of the first light detection means 9 is acquired between t 1 and t 2 . The measurement value (P R ) of the second light detection means 20 may be acquired between t 1 and t 2 . Also, by energizing the light source 40 at time t 3, the power of the light source 40 is turned ON. Thereby, the light source 40 emits light. Thereafter, at time t 4 (t 4 > t 3 ), power supply to the light source 40 is completed, and the power source of the light source 40 returns to the OFF state. The measured value (P 4 ) of the first light detection means 9 is acquired between t 3 and t 4 . The measurement value (P 5 ) of the second light detection means 20 may be acquired between t 3 and t 4 . The controller 23 may be used for operating the light source 30 and the light source 40 and receiving inputs from the first light detection means 9 and the second light detection means 20. As described in FIG. 10, continuous measurement may begin at time t 5 .

第4の実施例と同様に、t1とt2の間およびt3とt4の間に取得された測定値(P2、PR)、(P4、P5)が検体中の対象とするイオンの濃度計算に用いられる。 As in the fourth embodiment, the measured values (P 2 , P R ) and (P 4 , P 5 ) acquired between t 1 and t 2 and between t 3 and t 4 are the subjects in the sample. Used to calculate the concentration of ions.

光源30および光源40が同時に運転されないように、t1とt2の間およびt3とt4の間は互いに重ならないのが好ましい(t3>t2およびt5>t4)。t1、t2、t3、およびt4は極めて範囲の広い値であることが好ましい。例えば、(t2-t1)および(t4-t3)はともに、1μsから1s、より好ましくは0.1msから50msの範囲である。(t3-t2)は1s未満であることが好ましい。第5の実施例において、(t2-t1)および(t4-t3)は約20msであり、(t3-t2)が約2sである。 As the light source 30 and the light source 40 is not operated at the same time, t 1 and preferably (t3> t2 and t5> t4) that while do not overlap each other t between 2 and t 3 and t 4. t1, t2, t3, and t4 are preferably extremely wide values. For example, both (t2-t1) and (t4-t3) are in the range of 1 μs to 1 s, more preferably 0.1 ms to 50 ms. (T3-t2) is preferably less than 1 s. In the fifth embodiment, (t2-t1) and (t4-t3) are about 20 ms, and (t3-t2) is about 2 s.

特に入射光6および入射光49が検体中の同様の光路を伝播する場合、第5の実施例には複数の利点がある。第一に、検体処理手段12の第1窓10および第2窓11は最小化され、それがコスト削減につながる。第二に、生物が成長するなどの理由により第1窓10および第2窓11の少なくとも一方が汚れに起因して吸光度が高くなった場合、第1の光(つまり、光源30からの光)および第2の光(つまり、光源40からの光)は同程度の汚れに接する。このことは、光源40から放射されて第1窓10、第2窓11および検体2を伝播する光の透過率を測定する目的が、光源30から放射されて第1窓10、第2窓11および検体2を伝播する光の透過率に与える第1窓10および第2窓11の汚れの影響を測定する場合に特に利点となる。   In particular, when the incident light 6 and the incident light 49 propagate through similar optical paths in the specimen, the fifth embodiment has a plurality of advantages. First, the first window 10 and the second window 11 of the sample processing means 12 are minimized, which leads to cost reduction. Second, when at least one of the first window 10 and the second window 11 has a high absorbance due to contamination due to growth of living things, the first light (that is, light from the light source 30). And the second light (that is, the light from the light source 40) contacts the same degree of dirt. This is because the purpose of measuring the transmittance of light radiated from the light source 40 and propagating through the first window 10, the second window 11, and the specimen 2 is radiated from the light source 30 and the first window 10, second window 11. This is particularly advantageous when measuring the influence of dirt on the first window 10 and the second window 11 on the transmittance of light propagating through the specimen 2.

第三に、測定間の時間(t3-t2)が小さい場合、それぞれのセンサが測定する検体の箇所はほぼ同じである。これにより、検体の不均一性に起因する、補正ファクターTi中のあらゆる誤差が最小化され、目的とするイオン濃度を計算する際に精度が高くなる。 Third, when the time between measurements (t3-t2) is small, the location of the specimen measured by each sensor is almost the same. Thus, due to the heterogeneity of the sample, any error in the correction factor T i is minimized, is done with high accuracy in calculating the ion concentration of interest.

第5の実施例に係るセンサ装置は、硝酸イオン濃度が低い(100mg/litre未満)および硝酸イオン濃度が高い(100mg/litreより大きい)複数の異なる水サンプル検体中の硝酸イオン濃度を測定するために使用される。それぞれの検体について、図11に記載されるセンサ装置により測定される硝酸イオンが、硝酸イオン濃度を測定する方法として十分に確立されたカドミウム比色定量分析によって取得される測定値と比較された。   The sensor device according to the fifth embodiment is for measuring nitrate ion concentrations in a plurality of different water sample specimens having a low nitrate ion concentration (less than 100 mg / litre) and a high nitrate ion concentration (greater than 100 mg / litre). Used for. For each specimen, the nitrate ion measured by the sensor device described in FIG. 11 was compared with the measured value obtained by cadmium colorimetric analysis, which was well established as a method for measuring nitrate ion concentration.

硝酸イオン濃度が低い検体向けに使用されるセンサ装置は、光源30の光および光源40の光が検体中を距離L=10mm伝播するように構成されている。硝酸イオン濃度が低い複数の検体は、3つの“参照”(硝酸カリウム濃度が既知の消イオン水)、5つの“水道水”(欧州の幾つかの場所から採取した飲料用水道水)、およびイギリスのある井戸から採取した“地下水”を含む。比色定量分析、および本発明を含む装置により測定された硝酸イオン濃度が図12に記載される。比色定量分析、および本実施例のセンサ装置を使用して取得したそれぞれの検体の測定結果が、互いに隔たりなく隣り合う棒グラフとしてプロットされている。   The sensor device used for the specimen having a low nitrate ion concentration is configured such that the light from the light source 30 and the light from the light source 40 propagate through the specimen at a distance L = 10 mm. Samples with low nitrate ion concentrations include three “references” (deionized water with known potassium nitrate concentration), five “tap waters” (potable tap water from several European locations), and the UK Including “groundwater” collected from a well with a pit. The colorimetric quantitative analysis and the nitrate ion concentration measured by the apparatus containing the present invention are described in FIG. The colorimetric quantitative analysis and the measurement results of the respective samples obtained using the sensor device of the present example are plotted as adjacent bar graphs without being separated from each other.

硝酸イオン濃度が低い検体向けに使用されるセンサ装置は、光源30の光および光源40の光が検体中を距離L=1mm伝播するように構成されている。硝酸イオン濃度の高い複数の検体は、“養魚場水”および“水耕栽培水”を含む。養魚場水は、地表にある海水養魚場の魚タンクから採取した。水栽培水は、水耕栽培プラントへ供給された水から採取した。比色定量分析、および本発明を含む装置により測定された硝酸イオン濃度が図13に記載される。   The sensor device used for the specimen having a low nitrate ion concentration is configured such that the light from the light source 30 and the light from the light source 40 propagate through the specimen at a distance L = 1 mm. The plurality of specimens having a high nitrate ion concentration include “fish farm water” and “hydroponics water”. The fish farm water was collected from a fish tank in a seawater fish farm on the surface. Hydroponics water was collected from the water supplied to the hydroponics plant. The nitrate ion concentration measured by the colorimetric quantitative analysis and the apparatus including the present invention is shown in FIG.

すべての検体について、本発明に係るセンサ装置により測定された硝酸イオン濃度とカドミウム比色定量分析により取得された硝酸イオン濃度との間で極めて高い合致が見られた(図12、図13)。カドミウム比色定量分析と第5の実施例との間の優れた相関関係は本発明の有効性を証明する。   For all the specimens, a very high agreement was found between the nitrate ion concentration measured by the sensor device according to the present invention and the nitrate ion concentration obtained by cadmium colorimetric analysis (FIGS. 12 and 13). The excellent correlation between the cadmium colorimetric quantitative analysis and the fifth example demonstrates the effectiveness of the present invention.

本第5の実施例に係る他のセンサ装置が、硝酸イオン濃度0mg/litre(消イオン水)から1,550mg/litre の範囲にある、水中の硝酸イオン濃度を測定するために使用された。これらの検体は、国立標準技術研究所(the National Institute of Standards and Technology(NIST))から提供された標準硝酸溶液を様々な体積のピペットを使用して消イオン水により希釈することで作製された。センサ装置は、光源30の光および光源40の光が検体中を距離L=0.75mm伝播するように構成されている。光源30から放射される光の中心波長は223nmである。測定結果が図22に点で示される。図22において破線は理想的なセンサ性能を示す。   Another sensor device according to the fifth embodiment was used to measure the nitrate ion concentration in water ranging from 0 mg / litre (deionized water) to 1,550 mg / litre. These specimens were prepared by diluting standard nitric acid solutions provided by the National Institute of Standards and Technology (NIST) with deionized water using various volumes of pipettes. . The sensor device is configured such that the light from the light source 30 and the light from the light source 40 propagate through the specimen at a distance L = 0.75 mm. The center wavelength of light emitted from the light source 30 is 223 nm. The measurement results are indicated by dots in FIG. In FIG. 22, a broken line shows ideal sensor performance.

加えて、ある水耕栽培会社における2つの地点から採取された2つの検体が測定された。1つの検体は、成長植物に供給される前の水である。他方の検体は、成長植物に供給された後の戻り水である。この水耕栽培会社は、図13の測定結果をもたらした会社とは異なる。測定結果が図23中に点のデータとして記載される。実際の硝酸イオン濃度は、NIST標準硝酸で調整されたPerkin-Elmer社製のLambda950分光光度計を使用して、UV質量分析により測定された。   In addition, two specimens collected from two points in a hydroponics company were measured. One specimen is water before being supplied to the growing plant. The other specimen is the return water after being supplied to the growing plant. This hydroponics company is different from the company that produced the measurement results of FIG. The measurement results are shown as point data in FIG. The actual nitrate ion concentration was measured by UV mass spectrometry using a Perkin-Elmer Lambda950 spectrophotometer adjusted with NIST standard nitric acid.

上記2段落に記載されたすべての検体について、本発明に係るセンサ装置により測定された硝酸イオン濃度と既知の希釈NIST標準硝酸(図22)または標準的なラボ施設での調整後UV質量分析(図23)により取得された硝酸イオン濃度との間で極めて高い合致が見られた。これらの方法と第5の実施例に係るセンサ装置との間の優れた相関関係は本発明の有効性をさらに証明する。   For all the specimens described in the above two paragraphs, nitrate ion concentration measured by the sensor device according to the present invention and known diluted NIST standard nitric acid (FIG. 22) or adjusted UV mass spectrometry in a standard laboratory facility ( A very high agreement was found with the nitrate ion concentration obtained by FIG. The excellent correlation between these methods and the sensor device according to the fifth embodiment further proves the effectiveness of the present invention.

本センサ装置は、極めて高い線形性を保持しつつ、公知のセンサ装置よりも高い硝酸イオン濃度を測定することもできる。この改良された性能は図24から理解される。本発明に係るセンサ装置に使用される光源は、FWHM≒0.1nmの幅狭のスペクトル帯域幅を有する。これに対して、公知のセンサ装置はFWHMが0.5nm以上である。図24は、中心放射波長がλ=223nm、検体中の経路距離L=0.75mm、しかしながら異なるスペクトル帯域幅を有する複数の光源について、硝酸イオン濃度に対する吸光度の依存性を示す。図24から見て分かるように、スペクトル帯域幅が大きくなると非線形性が大きくなり、硝酸イオン濃度が高くなると理想的なセンサ性能から逸脱してゆく。線形性能が高いと、簡素化された較正プロセスを利用でき、幅広い濃度範囲で硝酸イオン濃度を精度よく測定することができる。   This sensor device can measure a higher nitrate ion concentration than a known sensor device while maintaining extremely high linearity. This improved performance can be seen from FIG. The light source used in the sensor device according to the present invention has a narrow spectral bandwidth of FWHM≈0.1 nm. In contrast, a known sensor device has a FWHM of 0.5 nm or more. FIG. 24 shows the absorbance dependence on nitrate ion concentration for multiple light sources having a central emission wavelength of λ = 223 nm, a path distance L = 0.75 mm in the specimen, but different spectral bandwidths. As can be seen from FIG. 24, the non-linearity increases as the spectral bandwidth increases, and deviates from the ideal sensor performance as the nitrate ion concentration increases. High linear performance allows a simplified calibration process to be used, and nitrate ion concentrations can be accurately measured over a wide concentration range.

第6の実施例
次に本発明の第6の実施例を説明する。第6の実施例は図19に記載される。第6の実施例は、第3の実施例、第4の実施例、および第5の実施例と共通の構成を有する。共通の構成は、同一の参照番号が付されており、それらの説明は繰り返さない。第6の実施例に係るセンサ装置は、周波数変換素子31を含む光源30を備える。光源30は、光源30により放射された光が第1中心波長(つまり、固体発光素子4により放射された光の一部。図19の光36として記載)および第2中心波長(つまり、周波数変換された光。図19の光5として記載)を有するように構成されている。この第6の実施例において、光36は、第4の実施例の光源40により放射された光と同様に使用される。第4の実施例との類似性として、図19を参照して説明すると、光5は第1センサ(第1光検出手段9、補助的な第2光検出手段20、および補助的なミラー22を使用)で用いられ、光36は第2センサ(第3光検出手段46、補助的な第4光検出手段47、および補助的なミラー37を使用)で用いられる。第6の実施例は、光源40を必要としない点において第4の実施例よりも有利である。
Sixth Embodiment Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. A sixth embodiment is described in FIG. The sixth embodiment has the same configuration as the third embodiment, the fourth embodiment, and the fifth embodiment. Common configurations are given the same reference numerals and their description will not be repeated. The sensor device according to the sixth embodiment includes a light source 30 including a frequency conversion element 31. In the light source 30, the light emitted from the light source 30 has a first center wavelength (that is, a part of the light emitted by the solid state light emitting device 4, described as light 36 in FIG. 19) and a second center wavelength (that is, frequency conversion). (Denoted as light 5 in FIG. 19). In this sixth embodiment, the light 36 is used in the same manner as the light emitted by the light source 40 of the fourth embodiment. Referring to FIG. 19 as an analogy with the fourth embodiment, the light 5 is a first sensor (first light detection means 9, auxiliary second light detection means 20, and auxiliary mirror 22). The light 36 is used by the second sensor (using the third light detecting means 46, the auxiliary fourth light detecting means 47, and the auxiliary mirror 37). The sixth embodiment is more advantageous than the fourth embodiment in that the light source 40 is not required.

光36および光5の両方に対してフィルタ33が与えられる点を除き、第6の実施例の光源30は第4の実施例に記載された光源と同一である。フィルタ33は、光36の光強度が、光5の光強度に0.01を積算した値よりも大きく、かつ、光5の光強度に10を積算した値未満となるように構成されているのが好ましい。フィルタ33は、第3の実施例で説明された1以上のミラーを備えてよい。   The light source 30 of the sixth embodiment is identical to the light source described in the fourth embodiment, except that a filter 33 is provided for both light 36 and light 5. The filter 33 is configured such that the light intensity of the light 36 is greater than the value obtained by adding 0.01 to the light intensity of the light 5 and less than the value obtained by adding 10 to the light intensity of the light 5. Is preferred. The filter 33 may include one or more mirrors described in the third embodiment.

図19において光36および光5は別々の線で記載されている。しかしながら、光36および光5はほぼ同じ経路を伝播してよい。第2光検出手段に入射した光から第2中心波長の光の光強度が測定されるように、補助的なミラー22は、第1中心波長の光よりも第2中心波長の光をより強く反射するように構成されている。第4光検出手段に入射した光から第1中心波長の光の光強度が測定されるように、補助的なミラー37は、第2中心波長の光よりも第1中心波長の光をより強く反射するように構成されている。   In FIG. 19, light 36 and light 5 are indicated by separate lines. However, light 36 and light 5 may travel in substantially the same path. The auxiliary mirror 22 makes the light of the second center wavelength stronger than the light of the first center wavelength so that the light intensity of the light of the second center wavelength is measured from the light incident on the second light detection means. It is configured to reflect. The auxiliary mirror 37 makes the light of the first center wavelength stronger than the light of the second center wavelength so that the light intensity of the light of the first center wavelength is measured from the light incident on the fourth light detection means. It is configured to reflect.

第7の実施例
次に本発明の第7の実施例を説明する。第7の実施例は図20に記載される。第7の実施例に係るセンサ装置は、第6の実施例に係るセンサ装置と類似している。第6の実施例では、固体発光素子4により放射された第1中心波長を有する光の一部が、第1センサにより測定される対象物の濃度の精度を高めるために使用される第2センサへの光として用いられる。光源30は、第6の実施例における光源と同じであってよい。光源30は、2以上の互いに異なる動作条件下で運転される。光源30により放射される光は、第1中心波長の光36(光強度Pa)、および第2中心波長の光5(光強度Pb)を有する。比率Pa/Pbは、光源30の上記2以上の互いに異なる動作条件ごとに相違する。例えば、上記2以上の互いに異なる動作条件には“固体発光素子4に供給される2以上の異なる電流”が含まれる。
Seventh Embodiment Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. A seventh embodiment is described in FIG. The sensor device according to the seventh embodiment is similar to the sensor device according to the sixth embodiment. In the sixth embodiment, a part of the light having the first central wavelength emitted by the solid state light emitting device 4 is used to increase the accuracy of the concentration of the object measured by the first sensor. Used as light to. The light source 30 may be the same as the light source in the sixth embodiment. The light source 30 is operated under two or more different operating conditions. The light emitted by the light source 30 includes light 36 (light intensity P a ) having a first center wavelength and light 5 (light intensity P b ) having a second center wavelength. The ratio P a / P b is different for each of the two or more different operating conditions of the light source 30. For example, the two or more different operating conditions include “two or more different currents supplied to the solid state light emitting device 4”.

比率Pa/Pbの異なる値は、固体発光素子4から放射された光21の光強度に対する周波数変換素子31で生成された周波数変換光の光強度の非線形依存性を活用することで取得される。光36の光強度(Pa)は光21の光強度に比例する。光5の光強度(Pb)は、周波数変換素子31で生成された周波数変換光の光強度に比例する。 Different values of the ratios P a / P b are obtained by utilizing the nonlinear dependence of the light intensity of the frequency converted light generated by the frequency conversion element 31 with respect to the light intensity of the light 21 emitted from the solid state light emitting element 4. The The light intensity (P a ) of the light 36 is proportional to the light intensity of the light 21. The light intensity (P b ) of the light 5 is proportional to the light intensity of the frequency converted light generated by the frequency conversion element 31.

例えば、図21中のプロットは、光源30の固体発光素子4に供給される電流に対するPaおよびPbの依存性を概略的に説明する。電流(I)が増えるにつれ、第1波長を有する光の光強度(Pa)は高くなる。この例によると、Paは電流にほぼ線形依存する(Pa≒a1+a2I、a1およびa2は定数)。ただし、本例において、線形依存性は必須ではない。第1電流(I=I1)における第1波長を有する光の光強度は、第2電流(I=I2;I2> I1)における光強度よりも低い(Pa (I1)<Pb(I2))。第2波長を有する光の光強度(Pb)は第1波長を有する光の光強度(Pa)に対して非線形に依存する(Pb≠b1Pa;ここでb1は定数)。この特定の例において、PbのPaに対する依存性はPb≒b2Pa 2である(ここでb2は定数)。この近似依存性は、SHGによる周波数変換を含む光源30の典型である。PbのPaに対する非線形依存性を用いてもよい。 For example, the plot in Figure 21, schematically illustrating the dependence of P a and P b with respect to the current supplied to the solid-state light-emitting element 4 of the light source 30. As the current (I) increases, the light intensity (P a ) of light having the first wavelength increases. According to this example, P a is almost linearly dependent on the current (P a ≈a 1 + a 2 I, a 1 and a 2 are constants). However, in this example, linear dependence is not essential. The light intensity of the light having the first wavelength at the first current (I = I 1 ) is lower than the light intensity at the second current (I = I 2 ; I 2 > I 1 ) (P a (I 1 ) < P b (I 2 )). Light intensity of the light having a second wavelength (P b) is dependent on the non-linearly with the light intensity of the light (P a) having a first wavelength (P b ≠ b 1 P a ; wherein b 1 is a constant) . In this particular example, dependence on P a of P b is a P b ≒ b 2 P a 2 (wherein b 2 is a constant). This approximate dependency is typical of the light source 30 including frequency conversion by SHG. It may be used a non-linear dependence on P a of P b.

PbのPaに対する非線形依存性のため、比率Pa(I1)/Pb (I1)は比率Pa (I2)/Pb(I2)と異なる。例えば図21に記載されるように、Pa (I1)/Pb (I1)>Pa(I2)/Pb (I2)である。光源30は、Pa (I1)>h1Pb (I1)、およびPb (I2)>h2Pa (I2)であることが好ましい(h1≧1、h2≧1、)。より好ましくは、h1≒2および/またはh2≒2である。さらに好ましくは、h1>2および/またはh2>2である。 For nonlinear dependence on P a of P b, the ratio P a (I 1) / P b (I 1) is different from the ratio P a (I 2) / P b (I 2). For example, as shown in FIG. 21, P a (I 1 ) / P b (I 1 )> P a (I 2 ) / P b (I 2 ). The light source 30, P a (I 1)> h 1 P b (I 1), and P b (I 2)> h is preferably 2 P a (I 2) ( h 1 ≧ 1, h 2 ≧ 1,). More preferably, h 1 ≈2 and / or h 2 ≈2. More preferably, h 1 > 2 and / or h 2 > 2.

光5および光36は、同じような光路を通って、検体の方向へ伝播し、検体を通過する。例えば、光5および光36は、第1窓10および第2窓11の同じような位置を通過する。検体2を通過した後、第1中心波長および第2中心波長を有する透過光39は第1光検出手段9に入射する(図20参照)。第1光検出手段に入射する光の光強度はP7であり、P7は、第1中心波長を有する透過光の光強度(P4)と第2中心波長を有する透過光の光強度(P2)の合計値である(P7= P2+ P4)。第1光検出手段9は、光源30の少なくとも2つの動作条件におけるP7を決定するために使用される。例えば、2つの電流値である(P7(I1)およびP7 (I2))。 Light 5 and light 36 propagate through the same optical path in the direction of the specimen and pass through the specimen. For example, the light 5 and the light 36 pass through similar positions of the first window 10 and the second window 11. After passing through the specimen 2, the transmitted light 39 having the first center wavelength and the second center wavelength enters the first light detection means 9 (see FIG. 20). The light intensity of the light incident on the first light detection means is P 7 , where P 7 is the light intensity (P 4 ) of the transmitted light having the first center wavelength and the light intensity of the transmitted light having the second center wavelength (P 4 ). P 2 ) (P 7 = P 2 + P 4 ). The first light detection means 9 is used to determine P 7 in at least two operating conditions of the light source 30. For example, there are two current values (P 7 (I 1 ) and P 7 (I 2 )).

検体に入射する光の光強度はP6であり、P6は、第1中心波長を有する光の光強度(P3)と第2中心波長を有する光の光強度(P1)の合計値である(P6= P3+ P1)。光源30の2以上の動作条件でのP1およびP3の値が特定の光源のために決定される。その後、第1中心波長を有する光および第2中心波長を有する光がシステムおよび検体を透過する透過率をそれぞれに測定するために、光源30の2以上の動作条件についての測定値P7が用いられる。これにより、先の実施例における“第2センサ”および“第1センサ”に類似する機能が実現する。 The light intensity of the light incident on the specimen is P 6 , and P 6 is the total value of the light intensity (P 3 ) of the light having the first center wavelength and the light intensity (P 1 ) of the light having the second center wavelength. (P 6 = P 3 + P 1 ). The values of P 1 and P 3 at two or more operating conditions of the light source 30 are determined for a particular light source. Thereafter, the measured value P 7 for two or more operating conditions of the light source 30 is used to measure the transmittance at which the light having the first center wavelength and the light having the second center wavelength are transmitted through the system and the specimen, respectively. It is done. Thereby, a function similar to the “second sensor” and the “first sensor” in the previous embodiment is realized.

光強度PRを決定するために第2光検出手段20が使用される。先の実施例に記載されるように、PRはP1に比例する。光は、ミラー22によって第2光検出手段20の方向に結びつけられる。好ましくは、ミラー22は、第2中心波長を有する光の一部を反射し、第1中心波長を有する光をさほど反射せず、第1中心波長を有する光および第2中心波長を有する光の一部を透過する。この場合、第2光検出手段20に入射する光はP1に略比例する。あるいは、第2光検出手段20に入射する第1中心波長を有する光の総量を抑制するためにフィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)が使用されてもよい。 Second light detecting means 20 is used to determine the light intensity P R. As described in the previous example, P R is proportional to P 1. The light is coupled in the direction of the second light detection means 20 by the mirror 22. Preferably, the mirror 22 reflects part of the light having the second center wavelength, does not reflect much light having the first center wavelength, and does not reflect light having the first center wavelength and light having the second center wavelength. Partially penetrates. In this case, the light incident on the second light detection means 20 is substantially proportional to P 1 . Alternatively, a filter (for example, a bandpass filter) may be used to suppress the total amount of light having the first center wavelength incident on the second light detection means 20.

光強度P5を決定するために第4光検出手段47が使用される。先の実施例に記載されるように、P5はP3に比例する。光は、ミラー38によって第4光検出手段47の方向に結びつけられる。好ましくは、ミラー38は、第1中心波長を有する光の一部を反射し、第2中心波長を有する光をさほど反射せず、第1中心波長を有する光および第2中心波長を有する光の一部を透過する。この場合、第4光検出手段47に入射する光はP3に略比例する。あるいは、第4光検出手段47に入射する第2中心波長を有する光の総量を抑制するためにフィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)が使用されてもよい。 Fourth optical detection means 47 is used to determine the light intensity P 5. As described in the previous examples, P 5 is proportional to P 3 . The light is coupled in the direction of the fourth light detection means 47 by the mirror 38. Preferably, the mirror 38 reflects a portion of the light having the first center wavelength, does not reflect much light having the second center wavelength, and does not reflect light having the first center wavelength and light having the second center wavelength. Partially penetrates. In this case, light incident on the fourth light detecting means 47 is substantially proportional to P 3. Alternatively, a filter (for example, a bandpass filter) may be used to suppress the total amount of light having the second center wavelength that is incident on the fourth light detection unit 47.

第2光検出手段20および/または第4光検出手段47が使用される場合、第1中心波長を有する光の透過率および第2中心波長を有する光の透過率を測定するその精度を高めるために、光源30の2以上の動作条件でのPRおよび/またはP5の測定値が当該2以上の動作条件での測定値P7とともに用いられてもよい。 When the second light detection means 20 and / or the fourth light detection means 47 are used, in order to increase the accuracy of measuring the transmittance of light having the first center wavelength and the transmittance of light having the second center wavelength. , the measured value of P R and / or P 5 at two or more operating conditions of the light source 30 may be used together with the measurement values P 7 in the two or more operating conditions.

第1中心波長を有する光のシステムおよび検体の透過率が第1運転電流(I1)を用いた測定を左右するように(つまり、先の実施例における“第2センサ”に類似する機能)、および第2中心波長を有する光のシステムおよび検体の透過率が第2運転電流(I2)を用いた測定を左右するように(つまり、先の実施例における“第1センサ”に類似する機能)、Pa (I1)>>Pb(I1)およびPb (I2)>>Pa (I2)であることが好ましい。 The light system having the first central wavelength and the transmittance of the specimen influence the measurement using the first operating current (I 1 ) (that is, a function similar to the “second sensor” in the previous embodiment). And so that the transmittance of the light system having the second central wavelength and the transmittance of the specimen influence the measurement using the second operating current (I 2 ) (ie similar to the “first sensor” in the previous embodiment) Function), P a (I 1 ) >> P b (I 1 ) and P b (I 2 ) >> P a (I 2 ).

光源30を2以上の動作条件で運転することにより(本実施例では電流)、第1中心波長を有する光の窓および検体の透過率、および第2中心波長を有する光の窓および検体の透過率が測定される。それゆえ、少ない部品数で第6の実施例に係る利点が得られる(すなわち、第3光検出手段は必要とされない)。   By operating the light source 30 under two or more operating conditions (current in this embodiment), the transmittance of the light window having the first center wavelength and the specimen and the transmission of the light window having the second center wavelength and the specimen are transmitted. The rate is measured. Therefore, the advantage according to the sixth embodiment can be obtained with a small number of parts (that is, the third light detection means is not required).

第8の実施例
次に本発明の第8の実施例を説明する。図14に記載される第8の実施例では、検体により散乱する光の光強度を測定するために補助的な光検出手段が付加される。当該補助的な光検出手段は、先述の実施例の何れかに従って構成されたセンサ装置に付加されうる。先述の実施例と共通する構成についての説明は繰り返さない。
Eighth Embodiment Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. In the eighth embodiment shown in FIG. 14, auxiliary light detection means is added to measure the light intensity of the light scattered by the specimen. The auxiliary light detection means can be added to a sensor device configured according to any of the previous embodiments. The description of the configuration common to the previous embodiment will not be repeated.

光源3により放射され、そして非散乱光8に対してθの角度で検体2にて散乱した光が検体処理手段12からほぼ透過されるように、検体処理手段12に補助的な窓50が備えられる。窓50は、第1窓10および第2窓11と同一の基準を満たす。窓50は、第1窓10および第2窓11と同一の材料で形成されてもよい。散乱光51は少なくとも一つの光検出手段52に結びつけられる。光検出手段52は、第1光検出手段9と同様の設計が考慮されている。光検出手段52は、1以上の位置に配設された1以上のフォトダイオードを備えてよく、これにより1以上の角度をつけて検体で散乱した光を検出することができる。例えば図14に1つの散乱角θが記載される。上記1以上の角度は、透過光8が光検出手段52に影響を与えないように十分に大きな角度が選択される。角度θは5°から180°であり、好ましくは60°から120°である。角度θは約90°であることがさらに好ましい。   The sample processing means 12 is provided with an auxiliary window 50 so that light emitted from the light source 3 and scattered by the sample 2 at an angle θ with respect to the non-scattered light 8 is substantially transmitted from the sample processing means 12. It is done. The window 50 satisfies the same criteria as the first window 10 and the second window 11. The window 50 may be formed of the same material as the first window 10 and the second window 11. The scattered light 51 is associated with at least one light detection means 52. The light detection means 52 is designed in the same manner as the first light detection means 9. The light detection means 52 may include one or more photodiodes disposed at one or more positions, and thereby can detect light scattered by the specimen at one or more angles. For example, one scattering angle θ is described in FIG. The one or more angles are selected to be sufficiently large so that the transmitted light 8 does not affect the light detection means 52. The angle θ is 5 ° to 180 °, preferably 60 ° to 120 °. More preferably, the angle θ is about 90 °.

光検出手段52の出力は、無線手段または有線手段により、コントローラに対して入力として伝達される。コントローラは、第1光検出手段9からの信号を受信するコントローラ23と同一であってよい。センサ装置により測定される対象物濃度の精度を高めるために使用されるシステムまたは検体の特性(例えば、検体の混濁度)を決定するために光検出手段52に入射する光の光強度が用いられてよい。第4の実施例で説明したのと同様に、この測定結果は、センサ装置にて透過した一部の光の光強度についての方程式の複数の分母Tiのうちの一つを取得し、かつ、センサ装置により測定される検体中の対象物濃度の精度を高めるために使われてよい。 The output of the light detection means 52 is transmitted as an input to the controller by wireless means or wired means. The controller may be the same as the controller 23 that receives the signal from the first light detection means 9. The light intensity of light incident on the light detection means 52 is used to determine the characteristics of the system or specimen (eg, turbidity of the specimen) used to increase the accuracy of the concentration of the object measured by the sensor device. It's okay. Similar to that described in the fourth embodiment, this measurement result obtains one of a plurality of denominators T i of an equation for the light intensity of a part of the light transmitted by the sensor device, and It may be used to increase the accuracy of the object concentration in the specimen measured by the sensor device.

第1の実施例で説明したように、第1光検出手段9に入射する透過光8に対して行ったのと同様に、補助的な第2光検出手段20を使って光源3から出力される光の光強度の変動を補正してもよい。   As described in the first embodiment, the light output from the light source 3 is output using the auxiliary second light detection means 20 in the same manner as the transmission light 8 incident on the first light detection means 9. You may correct | amend the fluctuation | variation of the light intensity of the light.

検体の特性(例えば混濁度)を決定するために光源3の光のみを用い、第2の光源40を必ずしも必要としない点がこの装置の利点である。   An advantage of this apparatus is that only the light from the light source 3 is used to determine the characteristics (eg, turbidity) of the specimen, and the second light source 40 is not necessarily required.

レーザを含む固体発光素子4を備えた光源3を使用することが好ましい(光源30の代替として周波数変換素子31を含む光源30が使用された場合には、光源30は、レーザである固体発光素子4を備えることが好ましい)。レーザは高いビーム品質を有する、および/またはレーザは直線偏光の程度が高いため、レーザの使用には利点がある。高いビーム特性を有する入射光(例えば、平行化されたレーザビーム)からの散乱光は、光検出手段52の位置によって入射光から効率的に区別される。直線偏光の程度が高い入射光から散乱された光は、散乱光がランダムな直線偏光性を有するため、入射光から効率的に区別される。   It is preferable to use a light source 3 including a solid-state light-emitting element 4 including a laser (when a light source 30 including a frequency conversion element 31 is used instead of the light source 30, the light source 30 is a solid-state light-emitting element that is a laser. 4). The use of a laser is advantageous because the laser has a high beam quality and / or the laser has a high degree of linear polarization. Scattered light from incident light having high beam characteristics (eg, collimated laser beam) is efficiently distinguished from incident light by the position of the light detection means 52. Light scattered from incident light having a high degree of linear polarization is efficiently distinguished from incident light because the scattered light has random linear polarization.

第9の実施例
次に本発明の第9の実施例を説明する。第9の実施例は、検体処理手段12に対してなされた改良に関するものであり、いくつかの用途においてセンサ装置の運転に有利となる。センサシステムは、先述の実施例の何れかに類似してよく、先述の実施例と共通する構成についての説明は繰り返さない。
Ninth Embodiment Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. The ninth embodiment relates to an improvement made to the specimen processing means 12 and is advantageous for the operation of the sensor device in some applications. The sensor system may be similar to any of the previous embodiments, and the description of the configuration common to the previous embodiments will not be repeated.

センサの運転中に検体2と接触する窓10および窓11の表面が光源3、光源30、および光源40の何れかから放射される光を吸収または散乱する物質に覆われることがある。この物質にはバクテリア、塩堆積物、有機分子、および他の汚れ(汚物、泥、粘土など)が含まれる。システムのこの追加的な光損失(先の詳細な説明で説明した複数のファクターTiのうちの一つ)が考慮されない場合には、その光吸収分が対象物1に誤って寄与してしまうことから、センサが判定する対象物濃度に誤りが含まれる。したがって、窓10および窓11を、可能な限り上記物質に汚染されない状態に保持することが望ましい。あるいは、窓10および窓11を、汚染による影響が大きく変化しない状態に保持することが望ましい。このことは、検体処理手段12が窓清掃手段を含むことで実現する。   During the operation of the sensor, the surfaces of the window 10 and the window 11 that come into contact with the specimen 2 may be covered with a substance that absorbs or scatters light emitted from any one of the light source 3, the light source 30, and the light source 40. This material includes bacteria, salt deposits, organic molecules, and other soils (dirt, mud, clay, etc.). If this additional light loss of the system (one of the multiple factor Tis described in the detailed description above) is not taken into account, the light absorption will contribute to the object 1 by mistake. Therefore, an error is included in the object concentration determined by the sensor. Therefore, it is desirable to keep the window 10 and the window 11 as uncontaminated as possible by the above substances. Or it is desirable to hold | maintain the window 10 and the window 11 in the state by which the influence by contamination does not change a lot. This is realized by the sample processing means 12 including a window cleaning means.

上記窓清掃手段は、検体と接触する窓10および窓11の一方または両方の表面と物理的に接触するワイパーであってよい。上記ワイパーは、例えば、ニトリルゴム、シリコン、またはナイロンを含んでよい。上記ワイパーは、窓10および窓11の表面、その表面には光源3または光源30からの光が伝播し、かつ、検体2と接触する窓の表面全体が含まれる、を定期的に拭く。上記ワイパーは、電機モータにより駆動してよい。あるいは、上記モータは、空気または油圧(水圧)で駆動してよい。   The window cleaning means may be a wiper that physically contacts one or both surfaces of the window 10 and the window 11 that contact the specimen. The wiper may include, for example, nitrile rubber, silicon, or nylon. The wiper periodically wipes the surfaces of the window 10 and the window 11, including the entire surface of the window in which light from the light source 3 or the light source 30 propagates and contacts the specimen 2. The wiper may be driven by an electric motor. Alternatively, the motor may be driven by air or hydraulic pressure (water pressure).

上記窓清掃手段は、圧縮性の流体が供給されるノズルであってよい。当該流体は空気であってよい。あるいは、上記流体は水であってよい。上記ノズルは、窓10および窓11の一方または両方の表面、その表面には光6および光8が伝播し、かつ、検体2と接触する窓の表面全体が含まれる、を上記液体の噴射物が流れるように角度が付けられている。   The window cleaning means may be a nozzle to which a compressible fluid is supplied. The fluid may be air. Alternatively, the fluid may be water. The nozzle includes the surface of one or both of the window 10 and the window 11, the surface of which the light 6 and light 8 propagate and the entire surface of the window in contact with the specimen 2 is included. Is angled so that flows.

上記窓清掃手段は、窓10および窓11の一方または両方を振動させるように設計された1以上の部材であってよい。例えば、当該部材は、超音波を生成するために20kHzよりも大きい周波数で駆動するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)ベースの材料であってよい。上記1以上の部材は、窓10および窓11に直接取り付けられていてもよい。あるいは、上記1以上の部材は、窓10および窓11と物理的に接触するセンサのどこかに取り付けられていてもよい。   The window cleaning means may be one or more members designed to vibrate one or both of the window 10 and the window 11. For example, the member may be a lead zirconate titanate (PZT) based material that is driven at a frequency greater than 20 kHz to generate ultrasound. The one or more members may be directly attached to the window 10 and the window 11. Alternatively, the one or more members may be attached somewhere in the sensor that physically contacts the window 10 and the window 11.

上記窓清掃手段が動作する時間間隔はユーザが任意に設定してよい。例えば、上記窓清掃手段は、1分毎、15分毎、1時間毎、または毎日動作してよい。あるいは、上記窓清掃手段は、検体中の対象物濃度の測定値を取得するためにセンサ装置が使用される前に動作してよい。上記窓清掃手段は、補助的なコントローラ23によって動作してよい。上記窓清掃手段は、センサ装置が透過率の測定値を取得している間は動作しないのが好ましい。   The user may arbitrarily set the time interval for operating the window cleaning means. For example, the window cleaning means may operate every minute, every 15 minutes, every hour, or every day. Alternatively, the window cleaning means may operate before the sensor device is used to obtain a measured value of the object concentration in the specimen. The window cleaning means may be operated by an auxiliary controller 23. The window cleaning means preferably does not operate while the sensor device is acquiring the measured transmittance value.

第10の実施例
次に本発明の第10の実施例を説明する。第10の実施例が図15に記載されている。検体中のイオン、分子、または原子の濃度を監視するために、および、上記濃度が、第1設定限界値を上回った場合、および/または、第2設定限界値を下回った場合に警告を発するために、第10の実施例では先述の実施例の何れかに従って構成されたセンサ装置を使用する。人が消費するための水に含まれる硝酸イオン濃度を測定するために構成されたセンサ装置を参照して本実施例を説明する。
Tenth Embodiment Next, a tenth embodiment of the present invention will be described. A tenth embodiment is described in FIG. A warning is issued to monitor the concentration of ions, molecules, or atoms in the specimen and when the concentration exceeds the first set limit value and / or falls below the second set limit value Therefore, the tenth embodiment uses a sensor device configured according to any of the previous embodiments. This embodiment will be described with reference to a sensor device configured to measure the concentration of nitrate ions contained in water for human consumption.

センサ装置100が、水源60と1以上の使用場所61との間の飲料用水道に沿って配置される。飲料用水道は、自治体の浄水場であってよい。飲料用水道は、地下水源の井戸であってよい。例えば、センサ装置は、飲料水が家に入る地点の水道管上に設置されてよい。あるいは、センサ装置は、蛇口近く(例えば、台所のシンクの下)に設置されてよい。あるいは、センサ装置は、浄水場内に設置されてよい。   A sensor device 100 is disposed along the drinking water between a water source 60 and one or more use locations 61. The drinking water supply may be a municipal water purification plant. The drinking water can be a well of a groundwater source. For example, the sensor device may be installed on a water pipe where drinking water enters the house. Alternatively, the sensor device may be installed near the faucet (eg, under a kitchen sink). Or a sensor apparatus may be installed in a water purification plant.

センサ装置によって実行される濃度測定の結果は、コントローラ62により第1設定限界値(例えば、飲料水中の硝酸イオン濃度の上限値WHO 50mg/litre)と比較される。この比較処理は、補助的なコントローラ23と同一のコントローラによりセンサ装置内部で実行される。測定値が上記第1設定限界値を上回っている場合には、警報器63を作動させる信号が送信される。警報器63は、例えば、1以上の使用場所61の近傍に設置され、水が飲料用として安全ではないことをユーザに報知する。上記信号は、無線手段または有線手段により送信される。警報器は、音声警報器、視覚警報器、または音声・視覚警報器であってよい。   The result of the concentration measurement performed by the sensor device is compared with the first set limit value (for example, the upper limit value WHO 50 mg / litre of the nitrate ion concentration in the drinking water) by the controller 62. This comparison process is executed inside the sensor device by the same controller as the auxiliary controller 23. When the measured value exceeds the first set limit value, a signal for operating the alarm device 63 is transmitted. The alarm device 63 is installed in the vicinity of one or more use places 61, for example, and notifies the user that the water is not safe for drinking. The signal is transmitted by wireless means or wired means. The alarm may be an audio alarm, a visual alarm, or an audio / visual alarm.

第11の実施例
次に本発明の第11の実施例を説明する。第11の実施例が図16に記載されている。検体中のイオン、分子、または原子の濃度を監視するために、および、その濃度が設定範囲外であった場合に上記検体を処理するために、第11の実施例では第1−9の実施例の何れかに従って構成された1以上のセンサ装置100、およびセンサ装置101を使用する。あるいは、上記1以上のセンサ装置100、およびセンサ装置101との組み合わせで、開示された発明以外のタイプの補助センサ装置65が使用されてもよい。
Eleventh Embodiment Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described. An eleventh embodiment is described in FIG. In order to monitor the concentration of ions, molecules or atoms in the specimen and to process the specimen when the concentration is outside the set range, the eleventh embodiment implements steps 1-9. One or more sensor devices 100 and sensor device 101 configured according to any of the examples are used. Alternatively, an auxiliary sensor device 65 of a type other than the disclosed invention may be used in combination with the one or more sensor devices 100 and the sensor device 101 described above.

1以上のセンサ装置100、センサ装置101、およびセンサ装置65は、検体源60と検体の使用場所61との間に設置される。第1のセンサ装置100は、検体源60から供給された検体中の対象物濃度を測定する。第1のセンサ装置100により判定される検体中の対象物濃度が設定限界値よりも高い場合、検体が使用場所61に供給される前に、検体中の対象物濃度を低減するために濃度調整手段64が使用される。あるいは、第2のセンサ装置101が使用場所61に供給される検体中の対象物濃度を測定してもよい。センサ装置100、センサ装置101、およびセンサ装置65による測定結果は、濃度調整手段64の動作を制御するコントローラ62(例えば、マイクロプロセッサ、またはマイクロコントローラ)に受信される。対象物濃度が設定範囲内の状態で検体を使用地点に供給するために濃度調整手段を適切に利用し、かつ、濃度調整手段を最適に使用(例えば、濃度調整手段の使用電力を最小化する)するために第1のセンサ装置および第2のセンサ装置が使用される。   One or more sensor devices 100, sensor devices 101, and sensor devices 65 are installed between the sample source 60 and the sample use place 61. The first sensor device 100 measures the concentration of the object in the sample supplied from the sample source 60. If the object concentration in the sample determined by the first sensor device 100 is higher than the set limit value, the concentration adjustment is performed to reduce the object concentration in the sample before the sample is supplied to the use place 61. Means 64 is used. Alternatively, the second sensor device 101 may measure the object concentration in the sample supplied to the use place 61. The measurement results obtained by the sensor device 100, the sensor device 101, and the sensor device 65 are received by a controller 62 (for example, a microprocessor or a microcontroller) that controls the operation of the density adjusting unit 64. Appropriate use of the concentration adjustment means to supply the specimen to the point of use with the target concentration within the set range, and optimal use of the concentration adjustment means (for example, minimizing the power used by the concentration adjustment means) ) A first sensor device and a second sensor device are used.

第11の実施例の第1利用法において、検体は水であり、検体源60は地下水源の井戸である。使用場所61は、設定値(例えば、上限がWHO 50mg/litre)以下の硝酸濃度の水を供給する蛇口である。センサ装置100、およびセンサ装置101は、水中の硝酸イオン濃度を測定するために第1−9の実施例の何れかに従って適切に構成されたセンサ装置である。濃度調整手段64(ここでは濃度変動装置とも称する)は、水中の硝酸濃度を低減することの可能な、逆浸透圧精水装置、イオン交換精水装置、または他の精水装置である。センサ装置100、およびセンサ装置101により判定される水中の硝酸濃度は、使用場所61に供給される水中の硝酸イオン濃度が上記設定値以下であることを保証するために用いられる。また、濃度測定値は、濃度調整手段が不必要に使用されないことを保証するために用いられる(例えば、検体源60から供給される水中の硝酸濃度がすでに上記設定値以下である場合)。この利用方法により、濃度調整手段(例えば、逆浸透圧精水装置、イオン交換精水装置)を動作させるエネルギーおよび消耗品を最小に抑えた飲料水源が提供される。あるいは、例えば濃度調整手段64の故障に起因して、使用場所61に供給される水中の硝酸イオン濃度が上記設置値より大きい場合に警報を発する、第10の実施例と同様の警報器63が含まれていてもよい。   In the first usage method of the eleventh embodiment, the specimen is water, and the specimen source 60 is a well of a groundwater source. The place of use 61 is a faucet that supplies water with a nitric acid concentration equal to or lower than a set value (for example, the upper limit is WHO 50 mg / litre). The sensor device 100 and the sensor device 101 are sensor devices appropriately configured according to any of the first to ninth embodiments to measure nitrate ion concentration in water. The concentration adjusting means 64 (also referred to herein as a concentration fluctuation device) is a reverse osmotic pressure semen apparatus, an ion exchange semen apparatus, or other semen apparatus that can reduce the concentration of nitric acid in water. The nitric acid concentration in water determined by the sensor device 100 and the sensor device 101 is used to ensure that the nitric acid ion concentration in the water supplied to the place of use 61 is equal to or lower than the set value. The concentration measurement value is used to ensure that the concentration adjusting means is not used unnecessarily (for example, when the concentration of nitric acid in water supplied from the sample source 60 is already equal to or lower than the set value). This utilization method provides a drinking water source that minimizes energy and consumables for operating the concentration adjusting means (for example, reverse osmotic semen apparatus, ion exchange semen apparatus). Alternatively, for example, an alarm device 63 similar to the tenth embodiment that issues an alarm when the concentration of nitrate ions in the water supplied to the use place 61 is larger than the installation value due to a failure of the concentration adjusting means 64, for example. It may be included.

第11の実施例の第2利用法において、検体は、再循環水中の硝酸イオン濃度が設定値以下に維持される再循環水産養殖システム(RAS; recirculating aquaculture system)の水である。検体源60は、魚または他の水生生物を含むタンクから(直接、または貯留タンクを介して)供給される水である。使用場所61は、魚または他の水生生物を含むタンクに(直接、または貯留タンクを介して)戻された水である。センサ装置100、およびセンサ装置101は、水中の硝酸イオン濃度を測定するために第1−9の実施例の何れかに従って構成されたセンサ装置である。濃度調整手段64は、別の水源から供給される水が入る入口部を有する。別の水源は、硝酸イオン濃度が上記設定値よりも低い水を供給する。これにより、別の水源の水を検体源60の水に加えると、使用場所61に供給される水中の硝酸イオン濃度を低減することができる。センサ装置100、およびセンサ装置101により判定される水中の硝酸濃度は、使用地点に供給される水中の硝酸イオン濃度が上記設定値以下であることを保証するために用いられる。濃度測定値は、濃度調整手段が不必要に使用されないことを保証するために用いられる。例えば、必要でなければ、上記別の水源の水は検体源の水に加えられない。この利用法により、上記別の水源の水を加えることに関連するエネルギーと水使用量を最小限に抑えつつ、例えば魚を生産的に成長させるために、硝酸イオン濃度が上記設定値以下であるRASシステムがもたらされる。水が少ない場合、またはRASシステムに水を加える前にその水を熱処理および/または消毒しなければならない場合、特にこの方法に利点が認められる。水は海水であってよい。センサ装置100、およびセンサ装置101は、水中の、他のイオン、他の成分、または他の分子の濃度を監視するセンサ装置65と組み合わされてもよい。   In the second usage method of the eleventh embodiment, the specimen is water of a recirculating aquaculture system (RAS) in which the nitrate ion concentration in the recirculated water is maintained below a set value. The specimen source 60 is water supplied from a tank containing fish or other aquatic organisms (directly or via a storage tank). The place of use 61 is water returned (directly or via a storage tank) to a tank containing fish or other aquatic organisms. The sensor device 100 and the sensor device 101 are sensor devices configured according to any of the first to ninth embodiments in order to measure nitrate ion concentration in water. The concentration adjusting means 64 has an inlet for receiving water supplied from another water source. Another water source supplies water having a nitrate ion concentration lower than the set value. Thereby, when the water of another water source is added to the water of the specimen source 60, the concentration of nitrate ions in the water supplied to the place of use 61 can be reduced. The concentration of nitric acid in water determined by the sensor device 100 and the sensor device 101 is used to ensure that the concentration of nitrate ions in water supplied to the point of use is equal to or lower than the set value. The density measurement is used to ensure that the density adjustment means is not unnecessarily used. For example, if not required, the other source water is not added to the sample source water. With this method of use, for example, in order to grow fish in a productive manner, the nitrate ion concentration is below the set value, while minimizing the energy and water usage associated with adding water from another source. RAS system is brought. This method is particularly advantageous when water is low, or when the water must be heat treated and / or disinfected prior to adding water to the RAS system. The water may be sea water. Sensor device 100 and sensor device 101 may be combined with a sensor device 65 that monitors the concentration of other ions, other components, or other molecules in the water.

第11の実施例の第3利用法において、検体は、農業施設内の植物に供給される水である。例えば、水は、水耕栽培、アクアポニックス、または空中栽培で栽培する植物に供給される。本利用法として、水耕栽培による植物の栽培は一例であって、硝酸イオン濃度は下限値と上限値の間で維持される。検体源60は栽培する植物の側から(直接、または貯留タンクを介して)供給された水である。使用場所61は、栽培する植物に(直接、または貯留タンクを介して)戻された水である。センサ装置100、およびセンサ装置101は、水中の硝酸イオン濃度を測定するために第1−9の実施例の何れかに従って構成されたセンサ装置である。濃度調整手段64は、保存栄養液を含む1以上のタンクからの1以上の入口部を有する。1以上の保存栄養液は、硝酸イオン源を含む。硝酸イオン源は、例えば、硝酸アンモニウム、または硝酸カリウムである。従って、水に加える1以上の硝酸イオンを含む栄養液の割合を増加または低下させることで、使用場所61における水中の硝酸イオン濃度は、検体源から供給される水中の硝酸イオン濃度に対して、それぞれ増加または低下する。センサ装置100、およびセンサ装置101により判定される水中の硝酸濃度は、使用地点に供給される水中の硝酸イオン濃度が特定の範囲内であることを保証するために用いられる。濃度測定値は、水への保存栄養液の添加量を最適化するのに用いられる。1以上の補助センサ装置65が使用されてもよい。そのようなセンサ装置65として、PHセンサおよび/または電気伝導度センサが挙げられる。コントローラ62は、1以上の硝酸イオンを含む栄養液の添加量を変化させることにより生ずる変化に応じて他の保存栄養液の添加量をさらに最適化するために、こういった補助的なセンサからの情報を用いてもよい。本利用法により、保存栄養液の使用を最小化(運転コストを軽減する)し、かつ、植物に対して十分な量の硝酸イオンを確実に供給(収率を最適化し、利益を最大化する)しつつ、水中の硝酸イオン濃度が一定の範囲に維持される水耕栽培が提供される。   In the third usage method of the eleventh embodiment, the specimen is water supplied to plants in an agricultural facility. For example, water is supplied to plants grown in hydroponics, aquaponics, or aerial cultivation. As this utilization method, plant cultivation by hydroponics is an example, and the nitrate ion concentration is maintained between a lower limit value and an upper limit value. The specimen source 60 is water supplied from the side of the plant to be cultivated (directly or via a storage tank). The place of use 61 is water returned to the plant to be cultivated (directly or via a storage tank). The sensor device 100 and the sensor device 101 are sensor devices configured according to any of the first to ninth embodiments in order to measure nitrate ion concentration in water. The concentration adjusting means 64 has one or more inlet portions from one or more tanks containing the stored nutrient solution. One or more stored nutrient solutions include a nitrate ion source. The nitrate ion source is, for example, ammonium nitrate or potassium nitrate. Therefore, by increasing or decreasing the proportion of the nutrient solution containing one or more nitrate ions added to the water, the nitrate ion concentration in the water at the place of use 61 is relative to the nitrate ion concentration in the water supplied from the sample source. Increase or decrease respectively. The concentration of nitric acid in water determined by the sensor device 100 and the sensor device 101 is used to ensure that the concentration of nitrate ions in the water supplied to the point of use is within a specific range. Concentration measurements are used to optimize the amount of stored nutrient solution added to the water. One or more auxiliary sensor devices 65 may be used. Such a sensor device 65 includes a PH sensor and / or an electrical conductivity sensor. The controller 62 uses these auxiliary sensors to further optimize the amount of other preserved nutrients added in response to changes caused by changing the amount of nutrient solution containing one or more nitrate ions. May be used. This method minimizes the use of stored nutrient solutions (reduces operating costs) and ensures a sufficient supply of nitrate ions to plants (optimizing yield and maximizing profits) However, hydroponic cultivation in which the nitrate ion concentration in water is maintained within a certain range is provided.

本発明は、ある実施形態または複数の実施形態について図示し、説明した。しかしながら、本明細書および添付図面を読み、理解することで、当業者であれば同等の変更、改良を加えることが可能であろう。特に、上述した部材(部品群、アセンブリ、装置、構成物など)により実行される種々の機能について、そのような部材を説明するために用いた文言(“手段”についての参照を含む)は、指摘されない限り、たとえここで例示した実施形態、または本発明に係る実施形態において上記機能を実行する開示構造と同等の構造を有していなくても、上述した部材の特定の機能を実行するあらゆる部材に対応することが意図されている(つまり、同等の機能)。さらに、本発明に係る特定の構造は、1つのみまたは幾つかの実施形態に対して説明されたかもしれないが、そのような構造は、所与のまたは特定の用途について、要請され、利点が享受されるように、他の実施形態に係る1以上の構造と組み合わされてよい。   The invention has been illustrated and described with respect to an embodiment or embodiments. However, after reading and understanding the present specification and the accompanying drawings, those skilled in the art will be able to make equivalent changes and improvements. In particular, for the various functions performed by the members (parts, assemblies, devices, components, etc.) described above, the language used to describe such members (including references to “means”) is: Unless otherwise indicated, any embodiment that performs a specific function of the above-described member, even if it does not have a structure equivalent to the disclosed structure that performs the above function in the illustrated embodiment or the embodiment according to the present invention. It is intended to correspond to a member (ie an equivalent function). Further, although specific structures according to the present invention may have been described for only one or several embodiments, such structures are required and advantageous for a given or specific application. May be combined with one or more structures according to other embodiments.

本発明に係るセンサ装置は、イオン濃度(例えば水中の硝酸イオン)を測定するために使用される。上記センサ装置は、水が人の摂取に安全でないかを判定するために、ある装置内で使用されてよい。上記センサ装置は、排水処理プロセスを最適化するために使用されてよい。また、上記センサ装置は、水中の硝酸イオン濃度が高いため養魚場の魚にとってその水が有害であるかを判定し、そして収率を改善するために、ある装置内で使用されてよい。また、上記センサ装置は、水中の硝酸イオン濃度が水耕栽培場での植物栽培に最適なレベルにあるかを判定し、そして収率を改善するために、ある装置内で使用されてよい。   The sensor device according to the present invention is used for measuring ion concentration (for example, nitrate ion in water). The sensor device may be used in certain devices to determine if water is not safe for human consumption. The sensor device may be used to optimize the wastewater treatment process. The sensor device may also be used in certain devices to determine if the water is harmful to fish in the farm due to the high nitrate ion concentration in the water and to improve yield. The sensor device may also be used in certain devices to determine if the nitrate ion concentration in water is at an optimal level for plant cultivation in hydroponic cultivation fields and to improve yield.

1 対象物
2 検体
3 光源
4 固体発光素子
5 光
6 入射光
8 透過光
9 光検出手段
10 窓
11 窓
12 検体処理手段
20 光検出手段
21 光
22 部分反射ミラー
23 コントローラ
24 波長安定素子
25 温度制御手段
26 波長フィルタ
27 温度検知手段
28 ミラー
30 光源
31 周波数変換素子
32 光
33 フィルタ
34 光
35 光
36 光
37 ミラー
38 ミラー
39 透過光
40 光源
41 固体発光素子
42 温度制御手段
43 温度検知手段
46 光検出手段
47 光検出手段
48 部分反射ミラー
49 入射光
50 窓
51 光
52 光検出手段
60 水源
61 水の使用場所
62 コントローラ
63 警報器
64 濃度調節手段
65 補助センサ装置
100 本発明に係るセンサ装置
101 本発明に係るセンサ装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Object 2 Specimen 3 Light source 4 Solid light emitting element 5 Light 6 Incident light 8 Transmitted light 9 Light detection means 10 Window 11 Window 12 Specimen processing means 20 Light detection means 21 Light 22 Partial reflection mirror 23 Controller 24 Wavelength stabilization element 25 Temperature control Means 26 Wavelength filter 27 Temperature detection means 28 Mirror 30 Light source 31 Frequency conversion element 32 Light 33 Filter 34 Light 35 Light 36 Light 37 Mirror 38 Mirror 39 Transmitted light 40 Light source 41 Solid light emitting element 42 Temperature control means 43 Temperature detection means 46 Light detection Means 47 Light detection means 48 Partial reflection mirror 49 Incident light 50 Window 51 Light 52 Light detection means 60 Water source 61 Water use place 62 Controller 63 Alarm device 64 Concentration adjustment means 65 Auxiliary sensor device 100 Sensor device 101 according to the present invention Sensor device according to

Claims (19)

流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子の濃度を測定するセンサであって、
入射光の強度を測定する第1光検出装置と、
固体発光装置を含む第1光源と、を備え、
上記第1光源は、上記流体に入射する、240nm(ナノメートル)未満の波長を有する光を放射し、上記第1光検出装置は上記流体を通過した光を受光し、
上記第1光源は、上記固体発光装置から出射された光を受光するように配置された周波数変換素子をさらに含み、
上記周波数変換素子は、上記固体発光装置から出射された光の周波数を240nm(ナノメートル)未満の波長に周波数変換し、
上記固体発光装置から出射された光は、第1波長と、該第1波長より大きい第2波長とのあいだの範囲の波長を有し、
上記周波数変換素子の周波数変換プロセスは、第二高調波発生、第三高調波発生、第四高調波発生、第五高調波発生、和周波発生、および差周波発生の一つであり、上記周波数変換プロセスにおいて、上記第1波長未満の波長を有する光および上記第2波長よりも大きい波長を有する光は、周波数変換された光と位相整合されない光であることを特徴とするセンサ。
A sensor that measures the concentration of one or more types of ions, molecules, or atoms in a fluid,
A first photodetector for measuring the intensity of incident light;
A first light source including a solid state light emitting device,
The first light source emits light having a wavelength of less than 240 nm (nanometers) incident on the fluid, and the first photodetector detects light that has passed through the fluid,
The first light source further includes a frequency conversion element arranged to receive the light emitted from the solid state light emitting device,
The frequency conversion element converts the frequency of the light emitted from the solid state light emitting device to a wavelength of less than 240 nm (nanometers),
The light emitted from the solid state light emitting device has a wavelength in a range between a first wavelength and a second wavelength greater than the first wavelength;
The frequency conversion process of the frequency conversion element is one of second harmonic generation, third harmonic generation, fourth harmonic generation, fifth harmonic generation, sum frequency generation, and difference frequency generation. in the conversion process, the light having a first wavelength greater than the light and the second wavelength has a wavelength of less than wavelength sensor which is a light not light and phase matching frequency-converted.
上記第1光検出装置と接続されて動作するコントローラを備え、
上記コントローラは、上記第1光源から出射した光が上記流体を通過する透過率に基づいて、上記流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子の濃度を決定することを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
A controller that operates in connection with the first photodetector;
The controller determines the concentration of one or a plurality of types of ions, molecules, or atoms in the fluid based on a transmittance of light emitted from the first light source through the fluid. Item 2. The sensor according to Item 1.
上記第1光源から出射した光の少なくとも何れかを、上記流体を通過する前に受光するように配置された第2光検出装置を備え、
上記コントローラは、上記第2光検出装置と接続されて動作するとともに、
P2を、上記流体を通過し、上記第1光検出装置に入射する光の強度であって、上記第1光検出装置から出力されたデータに基づくものとし、
P1を、上記流体に入射する光の強度であって、上記第2光検出装置から出力されたデータに基づくものとしたとき、
P2/P1に基づいて上記第1光源から出射した光が上記流体を通過する透過率を決定する
ことを特徴とする請求項2に記載のセンサ。
A second photodetector that is arranged to receive at least one of the light emitted from the first light source before passing through the fluid;
The controller operates while being connected to the second photodetector.
P 2 is the intensity of light that passes through the fluid and is incident on the first light detection device, and is based on data output from the first light detection device,
When P 1 is the intensity of light incident on the fluid and is based on the data output from the second photodetector,
The sensor of claim 2 in which light emitted from the first light source based on P 2 / P 1 is characterized in that to determine the transmission through the fluid.
上記流体を備えるサンプル処理部をさらに備えていることを特徴とする請求項2または3に記載のセンサ。   The sensor according to claim 2, further comprising a sample processing unit including the fluid. 上記第1光検出装置および上記第1光源は第1のセンシング素子を構成し、
上記サンプル処理部および上記流体の少なくとも1つの特性を決定する第2センシング素子をさらに備え、
上記コントローラは、上記流体中のイオン、分子、または原子の濃度を決定するために、上記流体および/または上記サンプル処理部の上記特性を用いることを特徴とする請求項4に記載のセンサ。
The first photodetection device and the first light source constitute a first sensing element,
A second sensing element for determining at least one characteristic of the sample processing unit and the fluid;
5. The sensor of claim 4, wherein the controller uses the characteristics of the fluid and / or the sample processing unit to determine the concentration of ions, molecules, or atoms in the fluid.
上記第2センシング素子は、上記流体の混濁度、上記サンプル処理部の清潔さ、有機分子の濃度、および、上記流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子の濃度の少なくとも1つを決定することを特徴とする請求項5に記載のセンサ。   The second sensing element has at least one of the turbidity of the fluid, the cleanliness of the sample processing unit, the concentration of organic molecules, and the concentration of one or more types of ions, molecules, or atoms in the fluid. The sensor according to claim 5, wherein the sensor is determined. 入射光の強度を測定する少なくとも一つの補助的な光検出装置をさらに備え、
上記少なくとも一つの補助的な光検出装置は、上記流体によって散乱する光を受光するように配置されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のセンサ。
Further comprising at least one auxiliary photodetector for measuring the intensity of the incident light;
The sensor according to claim 1, wherein the at least one auxiliary light detection device is arranged to receive light scattered by the fluid.
上記固体発光装置は、発光ダイオード、半導体レーザ、レーザダイオード、およびAlyInxGa1-y-xN (0≦y≦1;0≦x≦1; 1-y-x≧0)半導体材料を含む固体発光装置の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のセンサ。   The solid-state light-emitting device is at least one of a light-emitting diode, a semiconductor laser, a laser diode, and an AlyInxGa1-y-xN (0 ≦ y ≦ 1; 0 ≦ x ≦ 1; 1-yx ≧ 0) semiconductor material. The sensor of any one of Claims 1-7 characterized by including one. 上記固体発光装置から出射する光の波長を安定させる安定化装置をさらに備えていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のセンサ。   The sensor according to claim 1, further comprising a stabilization device that stabilizes the wavelength of light emitted from the solid state light emitting device. 上記安定化装置は、回折格子、二色性ミラー、上記固体発光装置の温度を調節する温度制御装置、波長フィルタ、上記固体発光装置に供給される電流を調節する電流調節器、および上記固体発光装置に供給される電圧を調節する電圧調節器の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項9に記載のセンサ。   The stabilizing device includes a diffraction grating, a dichroic mirror, a temperature control device that adjusts the temperature of the solid state light emitting device, a wavelength filter, a current regulator that adjusts the current supplied to the solid state light emitting device, and the solid state light emission. The sensor according to claim 9, comprising at least one voltage regulator for regulating the voltage supplied to the device. 上記第1光源から出射された光の波長を示すデータを出力する波長センサをさらに備えていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のセンサ。   11. The sensor according to claim 1, further comprising a wavelength sensor that outputs data indicating a wavelength of light emitted from the first light source. 上記波長センサは、上記第1光源の温度を測定する温度センサ、上記第1光源に供給される電流を測定する電流センサ、および分光光度計の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項11に記載のセンサ。   12. The wavelength sensor includes at least one of a temperature sensor that measures a temperature of the first light source, a current sensor that measures a current supplied to the first light source, and a spectrophotometer. Sensor. 上記周波数変換素子は、β-BaB2O4の結晶、Ba1-xB2-y-zO4 -SixAlyGaz(0≦x≦0.15; 0≦y≦0.10; 0≦z≦0.04; x+y+z≠0; 2-y-z≧0)、SiO2、AlyGa1-yN (0.5≦y≦1)、CsLiB6O10、LiB3O5、KBe2BO3F2、Li2B4O7、LiRbB4O7、またはMgBaF4を含むことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載のセンサ。 Said frequency conversion element, the β-BaB 2 O 4 crystal, Ba 1-x B 2- yz O 4 - Si x Al y Ga z (0 ≦ x ≦ 0.15; 0 ≦ y ≦ 0.10; 0 ≦ z ≦ 0.04 x + y + z ≠ 0; 2-yz ≧ 0), SiO 2 , Al y Ga 1-y N (0.5 ≦ y ≦ 1), CsLiB 6 O 10 , LiB 3 O 5 , KBe 2 BO 3 F 2 The sensor according to claim 1, comprising Li 2 B 4 O 7 , LiRbB 4 O 7 , or MgBaF 4 . 上記第1光源は、上記固体発光装置から出射された第1中心波長を有する光、および、周波数変換された、上記第1中心波長と異なる第2中心波長を有する光を出射し、上記流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子の濃度は、上記第1中心波長を有する光の透過率、および上記第2中心波長を有する光の透過率に基づくことを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のセンサ。   The first light source emits light having a first center wavelength emitted from the solid-state light emitting device, and light having a second center wavelength different from the first center wavelength, which is frequency-converted, in the fluid. The concentration of one or more kinds of ions, molecules, or atoms is based on the transmittance of light having the first central wavelength and the transmittance of light having the second central wavelength. The sensor of any one of -13. 上記第1光源は、少なくとも2つの動作条件下で動作するものであり、Paを上記第1光源から出射した第1波長の光の強度、Pbを上記第1光源から出射した第2波長の光の強度としたとき、比率Pa/Pbは、上記少なくとも2つの動作条件で異なることを特徴とする請求項14に記載のセンサ。 The first light source, which operates in at least two operating conditions, the second wavelength intensity of light of the first wavelength emitted from the P a from the first light source, a P b emitted from the first light source The sensor according to claim 14, wherein the ratio P a / P b is different under the at least two operating conditions. 上記第1光源は、2nm(ナノメートル)未満のスペクトル帯域幅の光を出射することを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載のセンサ。   The sensor according to claim 1, wherein the first light source emits light having a spectral bandwidth of less than 2 nm (nanometers). 上記流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子による、上記第1光源から出射した光の吸光度は、上記流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子の濃度と実質的に線形依存の関係にあることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載のセンサ。   The absorbance of the light emitted from the first light source by one or more types of ions, molecules, or atoms in the fluid is substantially equal to the concentration of the one or more types of ions, molecules, or atoms in the fluid. The sensor according to claim 1, wherein the sensor has a linear dependence relationship. 少なくとも一つの流体には、実質的に水、または、硝酸イオンを含むイオンが含まれることを特徴とする請求項1〜17のいずれか1項に記載のセンサ。   The sensor according to claim 1, wherein the at least one fluid contains substantially water or ions containing nitrate ions. 流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子の濃度をモニタリングするシステムであって、
請求項1〜18のいずれか1項に記載のセンサと、
上記センサと接続して動作する警告装置、および、上記センサと接続して動作するコントローラと接続して動作する濃度変動装置の少なくとも一つと、を備え、
上記警告装置は、上記流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子の濃度が規定の濃度を外れたことを示す出力を生成し、
上記濃度変動装置は、上記流体中の一または複数種類のイオン、分子、または原子の濃度を変動させ、上記コントローラは、上記センサからのデータに基づき、上記濃度変動装置の動作を制御することを特徴とするシステム。
A system for monitoring the concentration of one or more ions, molecules or atoms in a fluid,
The sensor according to any one of claims 1 to 18,
A warning device that operates in connection with the sensor; and at least one of a concentration variation device that operates in connection with a controller that operates in connection with the sensor; and
The warning device generates an output indicating that the concentration of one or more types of ions, molecules, or atoms in the fluid is outside a specified concentration;
The concentration varying device varies the concentration of one or more types of ions, molecules, or atoms in the fluid, and the controller controls the operation of the concentration varying device based on data from the sensor. Feature system.
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